操作系统4.1.4 文件的物理结构（文件分配方式）

一、文件块、磁盘块

二、文件分配方式

1、连续分配

2、链接分配

1）隐式分配
2）显式分配

3、索引分配

1）链接方案
2）多层索引
3）混合索引

三、总结

本节内容非常重要，必考选择题，甚至出大题。

一、文件块、磁盘块

在内存管理中，进程的逻辑地址地址空间被分为了一个个页面。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被分为了一个个文件“块”。

在很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。

于是文件的逻辑地址页可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。

二、文件分配方式

1、连续分配【访问第n条记录，需访问磁盘1次】

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

① Q：用户通过逻辑地址操作自己的文件，操作系统如何实现从逻辑地址到物理地址的映射？

A：用户给出要访问的逻辑块号，操作系统会找到该文件对应的目录项（FCB），文件目录项（FCB）中记录存放的起始块号和长度（总共占用几个块）。所以物理块号 = 起始块号 + 逻辑块号。

当然，还需要检查用户提供的逻辑块号是否合法（逻辑块号 >= 长度就是不合法）。

优点1：连续分配方式可以直接算出逻辑块号对应的物理块号，因此连续分配支持顺序访问和直接访问（即随机访问）。

②读取某个磁盘时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头锁的时间就越长。

优点2：连续分配的文件在顺序读/写时速度最快。

③是否方便拓展文件？

如下图所示，如果此时A文件想要拓展，由于连续分配要求在物理上占用的磁盘块必须是连续的，而此时A后面的物理块都被占用，所以A只能全部迁移到后面没有被占用且空间足够连续的区域。

这样的话需要巨大的开销。

缺点1：物理上采用连续分配的文件不方便拓展。

④

缺点2：物理上采用连续分配，存储空空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片。

可以使用紧凑处理碎片问题，但是需要耗费很大的时间代价。

⑤小结

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

优点：支持顺序访问和直接访问（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，会产生难以利用的磁盘碎片。

2、链接分配【访问第n条记录，需访问磁盘n次】

链接分配采用离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接。

1）隐式分配（隐式链接）【默认】

①如何实现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...

目录项FCB中记录了起始块号和结束块号...

从FCB中找到起始块号（即0号逻辑块对应的物理块），将0号逻辑块读入内存（除了结束块号，每个物理块都保存了指向下一个物理块的指针），由此知道1号逻辑块的物理内存，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，指向下一个磁盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。

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

②是否方便拓展文件？

若要扩展文件，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。

优点：方便文件的扩展，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一定的存储空间。

2）显式分配（显式链接）

显示链接：把用于链接文件的各物理块的指针存放在一张表中，即文件分配表（FAT，File Allocation Table）。

例如，假设某个新创建的文件“aaa”依次存放的磁盘块为2-->5-->0-->1（逻辑块为0、1、2、3）。新创建的文件“bbb”一次存放在磁盘块4-->23-->3（逻辑块为0、1、2）。

那么文件分配表如下图

注：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。

①如何实现逻辑块号到物理块号的转变？

用户想访问逻辑块号i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）...

从目录项FCB中找到起始块号，若i > 0，则查询内存中的文件分配表，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过程不需要读磁盘操作。都是直接在内存中直接读取FAT表即可找到逻辑块号与物理块号的对应关系。

如用户想要访问aaa文件的2号逻辑块，根据页目录项的起始块号2号块（0号逻辑块），查询FAT表，得到1号逻辑块对应的物理块为5号块，再查5号物理块的下一块即为2号逻辑块所对应的物理块，整个查询过程都是在内存中进行的，没有访问过磁盘。

②结论

优点1：采用链式分配（显式链接）方式的文件，支持顺序访问，也支持随机访问（想访问第i号块不需要依次访问之前的0~i-1号逻辑块），由于块号转换过程不需要访问磁盘，所以相比于隐式链接来说，访问速度快很多。

优点2：显式链接不会产生外部碎片，页可以很方便地对文件拓展。

3、索引分配

索引分配允许文件离散的分配在各个磁盘中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表只记录了文件的各个逻辑块所对应的物理块（索引表功能类似内存管理中的页面——建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。

索引表存放的磁盘称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

例如，假设某个新创建的文件“aaa”依次存放的磁盘块为2-->5-->13-->9。7号磁盘作为“aaa”的索引块，索引块中保存了索引表的内容。如下图所示

注：链接分配的显示链接中，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2^30个磁盘块，则可用4个字节表示磁盘号，即可用4B表是索引表的表项。

因此，索引表中的逻辑块号可以是隐含的。

①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）...

从目录项中找到索引表的存放位置，将索引表读入内存，并查找索引表即可知道i号逻辑块在外存中存放的位置。

索引分配可以支持随机访问。文件扩展也很容易实现（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。

②思考一个问题

若一个磁盘块1KB，一个索引项4B，则一个磁盘只能放下1K / 4 = 256个索引项（逻辑块号隐含），如果文件大小超过了256个索引块，那么一个磁盘块就装不下整张索引表了，如何解决这个问题？

通常有以下三种解决方案：链接方案、多层索引、混合索引。

1）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256个索引项。

若一个文件的大小为256 * 256KB = 655,36KB = 64MB

一个磁盘块1KB，所以有256 * 256个块，也就共有256 * 256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，因此必须顺序地读入前255个索引块。

显然，这种方案的效率是很低的。为此，人们又提出了多层索引。

2）多层索引

多层索引：建立多层索引（原理类似多级页表）。使第一层索引块执行第二层索引块。还可以根据文件大小的要求建立第三层、第四层....

如上图，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，则该文件最大长度可以到256 * 256 * 1KB = 655,36KB = 64MB

可以根据逻辑块号算出应该查找索表中的哪个表项。

如：访问1026号逻辑块，则1026 / 256 = 4，1026 % 256 = 2

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号表项即可得到1026号逻辑块存放的磁盘号了。

访问目标数据块，需要3次磁盘I/O。

若采用三层索引，则文件的最大长度为256 * 256 * 256 * 1KB = 16GB

访问目标数据块，需要4次磁盘I/O。

对于K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块需要K+1次读磁盘操作。

3）混合索引

混合索引：多种索引分配方式的结合。

对于多层索引，如果文件占用几个磁盘块，每次访问都要多次访问磁盘，这显然不合理；并且一般计算机中小文件更多，如果还用多层索引访问就非常不合理，所以就有了混合索引。

如在一个文件的顶级索引表中，即包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含以及间接索引（指向单层索引表），还包含两级间接索引（指向两层索引表）。

如下图，顶级索引表中有8个直接地址，一个一级间接索引和一个二级间接索引。

对于上图，如果顶级索引表还没有读入内存
访问0~7号逻辑块：两次磁盘。
访问8~263号逻辑块：三次磁盘。
访问264~65799逻辑块：四次读操作。

对于小文件，这种混合索引只需较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块。

本节重要考点：

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操作次数（KEY：FCB中会存有指向顶级索引块的指针，因此可以根据FCB读入顶级索引块。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——是否有说顶级索引块已调入内存）

三、总结