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1 文件的物理结构 （文件分配方式）
1.1 文件块、磁盘块
类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同
在内存管理中，进程的逻辑地址空间被分为一个一个页面同样的，在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为了一个一个的文件“块”。 于是文件的逻辑地址也可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。
1.2 文件分配方式——连续分配
连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。
问题：用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统如何实现从逻辑地址到物理地址的映射？
（逻辑块号，块内地址）→（物理块号，块内地址）。只需转换块号就行，块内地址保持不变
- 用户给出要访问的逻辑块号，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）…
- 当然，还需要检查用户提供的逻辑块号是否合法（逻辑块号≥ 长度就不合法）
可以直接算出逻辑块号对应的物理块号，物理块号=起始块号+逻辑块号
因此连续分配支持顺序访问和直接访问（即随机访问）
连续分配读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。
结论：
- 连续分配的文件在顺序读/写时速度最快
- 物理上采用连续分配的文件不方便拓展。
- 物理上采用连续分配， 存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片
可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。
连续分配优缺点总结：
优点：支持顺序访问和直接访问（即随机访问）；连续分配的文件在顺序访问时速度最快
缺点：不方便文件拓展；存储空间利用率低，会产生磁盘碎片
1.3 文件分配方式——链接分配
链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。
1.3.1 链接分配——隐式链接
问题1：隐式链接如何实现文件的逻辑块号到物理块号的转变？
- 用户给出要访问的逻辑块号
i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）…- 从目录项中找到起始块号（即0号块），将0 号逻辑块读入内存，由此知道1号逻辑块存 放的物理块号，于是读入1号逻辑块，再找 到2号逻辑块的存放位置……以此类推。
- 因此，读入
i号逻辑块，总共需要i+1次磁盘 I/O。
结论：采用链式分配（隐式链接）方式的文件，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低。另外，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
问题2：是否方便拓展文件？
若此时要拓展文件，则可以随便找一个空闲磁盘块，挂到文件的磁盘块链尾，并修改文件的
FCB
结论：采用隐式链接的链接分配方式，很方便文件拓展。 另外，所有的空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题， 外存利用率高。
隐式链接分配优缺点总结：
隐式链接——除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录 包括文件第一块的指针和最后一块的指针。
优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高。
缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
1.3.2 链接分配——显式链接
显式链接把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表中。即文件分配表（
FAT，File Allocation Table）
假设某个新创建的文件“aaa”依 次存放在磁盘块
2→5→0→1
假设某个新创建的文件“bbb”依 次存放在磁盘块4→23→3
则FAT表如下：
注意：一个磁盘仅设置一张FAT。 开机时，将FAT读入内存，并常驻内存。FAT 的各个表项在物理上连续存储，且每一个表项长度相同，因此“物理块号”字段可以是隐含的。
问题1：如何实现文件的逻辑块号到物理块号的转变？
- 用户给出要访问的逻辑块号
i，操作系统找到该文件对应的目录项 （FCB）…- 从目录项中找到起始块号，若
i>0，则查询内存中的文件分配表FAT， 往后找到i号逻辑块对应的物理块号。逻辑块号转换成物理块号的过程不需要读磁盘操作。
1.3.3 链接分配（总结）
- 隐式链接——除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。
优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高。
缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
- 显式链接——把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表中，即 文件分配表（
FAT，File AllocationTable）。一个磁盘只会建立一张文件分配表。开机时文件分配表放入内存，并常驻内存。
优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高，并且支持随机访问。相比于隐式链接来说，地址转换时不需要访问磁盘，因此文件的访问效率更高。
缺点：文件分配表的需要占用一定的存储空间。
考试题目中遇到未指明隐式/显式的“链接 分配”，默认指的是隐式链接的链接分配
1.4 文件分配方式——索引分配
索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表——建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。
假设某个新创建的文件“aaa”的数 据依次存放在磁盘块2→5→13→9。 7号磁盘块作为“aaa”的索引块， 索引块中保存了索引表的内容。
注：在显式链接的链式分配方式中，文件分配表FAT 是一个磁盘对应一张。而索引分配方式中，索引表是一个文件对应一张。
可以用固定的长度表示物理块号（如： 假设磁盘总容量为1TB=240B，磁盘块大小为
1KB，则共有230个磁盘块，则可用4B表示磁盘块号），因此，索引表中的“逻辑块号”可以是隐含的。
问题：索引分配如何实现文件的逻辑块号到物理块号的转换？
- 用户给出要访问的逻辑块号
i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）…- 从目录项中可知索引表存放位置，将索引表从外存读入内存，并查找索引表即可只
i号逻辑块在外存中的存放位置。
可见，索引分配方式可以支持随机访问。 文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配 一个空闲块，并增加一个索引表项即可） 但是索引表需要占用一定的存储空间
若每个磁盘块1KB，一个索引表项4B，则一个磁盘块只能存放1024/4=256个索引项
如果一个文件的大小超过了256 块，也就意味着这个文件对应的索引表超过了256个索引项，那么一个磁盘块是装不下文件的整张索引表的，如何解决这个问题？
解决方案：①链接方案 ②多层索引 ③混合索引
1.4.1 链接方案
链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放
假设磁盘块大小为
1KB，一个索引表项占4B，则一个磁盘块只能存放1024/4=256个索引项。
若一个文件大小为256X256KB= 65,536KB=64MB该文件共有256X256个块，也就对应256X256个索引项，也就需要256个索引块来存储，这些索引块用链接方案连起来。 若想要访问文件的最后一个逻辑块， 就必须找到最后一个索引块（第256 个索引块），而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前255个索引块。
这显然是很低效的。如何解决呢？
1.4.2 多层索引
多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据 文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。
假设磁盘块大小为
1KB，一个索引表项占4B，则一个磁盘块只能存放256个索引项。
若某文件采用两层索引，则该文件的最大长度可以到256X256X1KB=65,536KB=64MB
最大长度：第一级索引表最多有256个索引项，也就是会指向256个第二季索引表，而第二级索引表最多也是256个索引项，每个索引项分别指向一个数据块，数据块大小1KB，则采用两层索引，文件最大256X256X1KB=65,536KB=64MB
可根据逻辑块号算出应该查找索引表中的哪个表项。 如：要访问1026号逻辑块，则 1026/256=4，1026%256=2
1026/256=4说明1026号逻辑块对应的索引项是4号二级索引表中存放的
1026%256=2 则需要查询4号索引表中的2号表项
因此可以先将一级索引表调入内存，查询4号表项， 将其对应的二级索引表调入内存，再查询二级索引表的2号表项即可知道1026号逻辑块存放的磁盘块号了。 访问目标数据块，需要3次磁盘I/O。第一次读入一级索引表，第二次读入二级索引表，第三次读入最终要访问的数据块。
若采用三层索引，则文件的最大长度为
256X256X256X1KB=16GB
类似的，访问目标数据块，需要4次磁盘I/O
重要结论：若采用多层索引，则各层索引表大小不能超过一个磁盘块
采用K层索引结构，且*索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要K+1次读磁盘操作
1.4.3 混合索引
混合索引：多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的*索引表中，既包含直接地址索引（直接 指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表） 。
由上可见：
若*索引表还没读入内存
访问0~7号逻辑块：两次读磁盘
访问8~263：三次读磁盘盘次数。
访问264~65799：因次读磁盘
对于小文件，只需较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块（一般计算机中小文件更多）
这种结构索引支持的最大文件长度为8+256+65536=65800KB→常考混合索引的最大文件长度
1.4.4 索引分配（总结）
索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表——建立逻辑页面到物理页之间的映射关系） 。
索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。 若文件太大，索引表项太多，可以采取以下三种方法解决：
- 链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。
缺点：若文件很大，索引表很长，就需要将很多个索引块链接起来。想要找到i号索引块，必须先依次读入0~i-1号索引块，这就导致磁盘I/O次数过多，查找效率低下。- 多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。采用
K层索引结构，且*索引表未调入内存，则访问 一个数据块只需要K+1次读磁盘操作。
缺点：即使是小文件，访问一个数据块依然需要K+1次读磁盘。- 混合索引：多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的*索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表） 。
优点：对于小文件来说，访问一个数据块所需的读磁盘次数更少。
超级超级超级重要考点：
- 要会根据多层索引、混合索引的结构计算出文件的最大长度（Key：各级索引表最大不能超过一个块）；
- 要能自己分析访问某个数据块所需要的读磁盘次数（Key：FCB中会存有指向*索引块的指针，因此可以根据FCB读入*索引块。每次读入下一级的索引块都需要一次读磁 盘操作。另外，要注意题目条件——*索引块是否已调入内存）
1.5 文件分配总结
2 文件存储空间管理
2.1 存储空间的划分与初始化
安装
Windows操作系统的时候，一个必经步骤是为磁盘分区（C盘、D盘、E盘等）
存储空间的划分：将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘）
2.2 存储空间管理——空闲表法
适用于“连续分配方式”
某时刻磁盘使用如下：
对应的空闲表：
| 第一个空闲盘块号 | 空闲盘块数 |
|---|---|
| 0 | 2 |
| 5 | 1 |
| 10 | 5 |
| 18 | 3 |
| 23 | 1 |
- 如何分配磁盘块：
与内存管理中的动态分区分配很类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间。
- 如何回收磁盘块：
与内存管理中的动态分区分配很类似，当回收某个存储区时需要有四种情况:
（1）回收区的前后都没有相邻空闲区；
（2）回收区的前后都是空闲区；
（3）回收区前面是空闲区；
（4）回收区后面是空闲区。
总之，回收时需要注意表项的合并问题。
2.3 存储空间管理——空闲链表法
- 空闲盘块链：
操作系统保存着链头、链尾指针。
如何分配：若某文件申请K个盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。
如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。
特点：适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作
- 空闲盘区链：
操作系统保存着链头、链尾指针。
如何分配：若某文件申请K个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。
如何回收：若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。
特点：离散分配、连续分配都适用。为一个文件分配多个盘块时效率更高
2.4 存储空间管理一一位示图法
位示图：每个二进制位对应一个盘块。
某时刻磁盘利用情况如下：
对应的位示图：
在本例中，“0”代表盘块空闲，“1”代表盘块已分配。位示图一般用连续的“字”来表示，如本例中一个字的字长是16位，字中的每一位对应一个盘块。因此可以用（字号，位号）对应一个盘块号。当然有的题目中也描述为（行号，列号）
重点重点：要能自己推出盘块号与（字号位号）相互转换的公式。
注意题目条件：盘块号、字号、位号到底是从0开始还是从1开始
如本例中盘块号、字号、位号从0开始，若n表示字长，则.
（字号，位号）=（i，j）的二进制位对应的盘块号b=ni+j
本例中：
（0,1）→b=16X0+1
（1,10）→b=16X1+10b号盘块对应的字号i=b/n，位号j=b%nb=13→i=13/16=0,j=13%16=13
如何分配：若文件需要
K个块，
①顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的“0”；
②根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；
③将相应位设置为“1”。
如何回收：①根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；②将相应二进制位设为“0”
特点：连续分配、离散分配都适用
2.5 存储空间管理一—成组链接法
空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统，因为空闲表或空闲链表可能过大。
UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。
文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。
2.6 文件存储空间管理小结
