第七、八章文件与磁盘空间管理

1.文件、文件系统

1 ）基本概念

数据项：描述对象某种属性的字符集；是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位。

记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性；

关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合，用于唯一的标识一个记录。

文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合。

有结构：由相关记录组成

无结构：字符流的形式

属性：类型、长度、物理位置、创建时间

2）文件类型

按用途：系统、用户、库文件

按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件

按存取控制属性：只执行、只读、读写

按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设备）文件

3)文件系统模型

4）文件操作

创建/删除文件：分空间，形成FCB及目录（名，地址）

读、写：按名检索目录，找到文件地址，开始读、写

设置文件读写位置，实现随机存取（尤其适用于记录文件）

还需要：“打开”与“关闭”：

文件读/写操作 = 检索 + 读/写。

每次读写前都要重复检索增大开销。所以为了方便对同一文件的多次读写，一次检索到文件后就在内存中记录其位置，避免重复检索。被记录下位置的文件就是“打开”文件；

不需要再操作文件时，通过“关闭”这个系统调用关闭文件——即从打开文件表上删除其路径信息即可。

其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作。

2.文件的逻辑结构

1）文件逻辑结构的类型

有结构文件（记录式）

①定长记录

②变长记录

如何组织记录：

顺序文件。系统需按该类型记录“长度”，通常定长。

索引文件。系统需为文件建立索引表。

索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。

无结构文件（字符流式）

字节为单位，利用读写指针依次访问。

系统对该类文件不需格式处理。

（1）顺序文件

两种记录排列方式

串结构：按记录形成的时间顺序串行排序。记录顺序与关键字无关；

顺序结构：按关键字排序。

检索方法：

从头检索，顺序查找要找的记录，定长的计算相对快。

顺序结构，可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率

优缺点：

不方便随机存取某条记录，但适用批量存取的场合。

适合磁带等特殊介质。

单记录的查找、修改等交互性差；增减不方便（改进办法：把增删改的记录登记在一个事务文件中，在某段时间间隔后再与原文件合并更新）。

（2）索引文件

为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表，记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度；该索引表按关键字排序，。

索引表内容：

索引号、长度、记录地址指针

检索效率

索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件，所以能利用算法提高索引表检索速度

优缺点

适用于变长记录，可提高检索速度，实现直接存取

索引表增加了存储开销

（3）索引顺序文件

本方式是最常见的一种逻辑文件形式。

将顺序文件的所有记录分组：

还是建立索引表，但每个表项记录的是每组第1条记录的键值和地址。

组内记录仍按顺序方式检索和使用。

检索一条记录的过程：

先计算记录是在第几组，然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找。

可利用多级索引，进一步提高检索效率。

（4）直接文件

给定键值（如学号）不需顺序检索直接得到记录的物理地址

3.外存分配方式

目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度

常用三种方式：连续分配、链接分配（不连续）、索引分配

通常一个系统中仅采用一种方式

采用的磁盘分配方式决定了文件的“物理结构”：顺序结构；链接式结构；索引式结构。

注意与逻辑结构名类似但不是一回事。

1)连续分配：

为每一个文件分配一组相邻的盘块。

逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。

优点：顺序访问容易，读写速度快

缺点：

会产生外存碎片。可紧凑法弥补，但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间。

创建文件时要给出文件大小；存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改。

适用于变化不大顺序访问的文件，在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区

2）链接分配

可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。

设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表，这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。

优点：

离散分配，消除外部碎片，提高利用率

同时适用于文件的动态增长；修改容易

（1）隐式链接

链接信息隐含记录在盘块数据中；

每个盘块拿出若干字节，记录指向下一盘块号的指针。

问题：只能顺着盘块读取，可靠性低

（2）显式链接

记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表

所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表

为了提高文件系统访问速度，FAT一般常驻内存

属于一个文件的盘块通过链接成为一体，每个链条的首地址作为文件地址记录在相应文件的FCB的“物理地址”字段中。

（3）索引分配

链接的不足

顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取，仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。

链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的

改进：

系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存

每个文件单独建索引表（物理盘块索引），记录所有分配给它的盘块号；

建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；

①单级索引分配

索引形式适合大文件

中、小型文件，只需若干链接即可。若用索引分配方式，用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。

②多级索引

若文件较大，存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。

索引盘块亦需要按顺序管理起来

若索引盘块数量较少用指针链接的方式即可；

若索引盘块较多，需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引。

③混合组织索引（增量式索引组织方式）

多种索引方式相结合，以UNIX system V的索引结点为例：

一个索引结点定义为13个地址项：iaddr（0）~iaddr（12），总的来说分为两种：直接地址、间接地址

iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存文件数据的盘块号；

iaddr（10）存放单级索引的索引盘块号；

剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。

iaddr（11）存放二级索引的主索引盘块号

iaddr（12）存放三级索引的主索引盘块号

4.存储空间的管理

1）空闲表和空闲链表法

（1）空闲表法

常用于连续分配管理方式

（2）空闲链表法

①空闲盘块链

将磁盘上的所有空闲空间，以盘块为单位拉成一条链。

因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户。

因删除文件而释放存储空间时，系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾。

优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次。

②空闲盘区链

将所有空闲盘区拉成一条链。每个盘区上含有：

指示下一空闲盘区的指针、本盘区大小等信息

分配通常采用首次适应算法。回收盘区时，将回收区与相邻的空闲盘区相合并。

为提高检索速度，可以采用显式方法，为空闲盘区建立一张链表放在内存中。

分配、回收操作涉及的链式数据结构的处理方便

2）位示图法

利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。

值为0表示对应的盘块空闲，为1表示已分配。有的系统则相反。

磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样由所有盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。

总块数=m*n。可用m*n个位数来构成位示图，可看成是二维数组（数据结构）。

盘块的分配与回收：

（1）根据位示图进行盘块分配：

顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。

将所找到的一个或一组二进制位，转换成与之对应的盘块号。进行分配操作。

盘块号计算公式为：盘块号 = 列总数*（i-1）+ j;

（注意下标i，j从1开始）

修改位示图。

（2）根据位示图进行盘块回收：

将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号。转换公式为：i=(盘块号-1)div列数+1；j=(盘块号-1)mod列数+1

Div 求商，mod 取余，公式中的i、j都是从1开始的

（如12号盘块转换后为1，12）