26 文件外存分配方式

目前，常用的外存分配方法有 连续分配 、 链接分配 和 索引分配 三种。采用不同的分配方式时，将形成不同的文件物理结构。

连续分配方式对应顺序式文件结构，链接分配方式形成链接式文件结构，索引分配方式将形成索引式文件结构。有的系统（如DOS *** 作系统）对三种方法都支持，但是更普遍的是 一个系统只提供一种方法的支持 。

连续分配方法要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块，如图所示。这样所形成的文件结构称为 顺序文件结构 ，此时的物理文件称为 顺序文件 。这种分配方式保证了逻辑文件中的的记录顺序与存储器中的文件占用盘块的顺序是 一致的 。

优点是 实现简单、存取速度快 ，支持顺序访问和直接访问，作业访问磁盘时需要的寻道数和寻道时间最短。

缺点在于，文件长度 不宜动态增加 ，因为一个文件末尾后的盘块可能已经分配给其他文件，一旦需要增加， 就需要大量移动盘块。在外存上使用紧凑技术所花费的时间远比内存紧凑一次所花费的时间多得多。

此外，反复增删文件后会产生 外部碎片 （与内存管理分配方式中的碎 片相似)，并且很难确定一个文件需要的空间大小，因而只适用于长度固定的文件。

链接分配是釆取 离散分配 的方式，消除了外部碎片，故而显著地 提高了磁盘空间的利用率 ；又因为是根据文件的当前需求，为它分配必需的盘块，当文件动态增长时，可以动态地再为它分配盘块，故而 无需事先知道文件的大小 。此外，对文件的 增、删、改也非常方便 。

链接分配又可以分为隐式链接和显式链接两种形式。

文件，目录中每个目录项都包括 指向链接文件第一盘块和最后一个盘块的指针 。磁盘块分布在磁盘的任何地方，除最后一个盘块外，每一个盘块都有指向下一个盘块的指针，这些指针对用户是透明的。

为了提高检索速度和减小指针所占存储空间，可以将几个盘块组成一个簇（cluster），虽然成倍 减少了访问时间，以及指针存储空间，但却增大了内部碎片，改进很有限 。

显示链接把用于链接文件各物理块的指针，显示地存放在内存的一张链接表中。该表在整个磁盘仅设置一张。

表的序号从0开始，直至N-1，N为盘块总数，在每个表项中存放链接指针，即下一个盘块号。

在该表中，凡是属于某一文件的第一个盘块号（链首指针所对应的盘块号）均作为文件地址被填入相应的文件的FCB的物理地址字段中。

由于查找记录的过程是 在内存中进行的，因而提高了检索速度，减少了访问磁盘的次数 。由于分配给文件的所有盘块号都在该表中，故把该表称为文件分配表FAT（File Allocation Table）。

在打开某个文件时，只需把该文件占用的盘块号的编号调入内存即可， 无需把整个FAT调入内存 。为此，将每个文件所对应的盘块号集中地放在一起，索引分配方式就是基于此想法所形成的一种分配方式。

其为每个文件分配一个索引表，再把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引块中，因而该索引块就是一个含有许多磁盘块号的数组。在建立一个文件时，只需要在为之建立的目录项中填上指向该索引块的指针。

当文件太大时，索引块太多，单级索引是低效的 。此时，为这些索引块再建立一级索引，称为第一级索引，还可再建立索引，称为第二级索引等等。称为多级索引分配。

在二级索引分配方式下，若每个盘块的大小为1KB，每个盘块号占4个字节，在一个索引块可以存放256个盘块号。则，在两级索引时，最多可以包括存放文件的盘块号总数为64K(256 * 256)个盘块号，所允许文件最大长度为64MB。

若盘块号为4KB，则一级索引的最大文件大小为4MB，二级索引的最大文件大小为4GB。

将 多种索引分配方式相结合 而形成的一种分配方式，如直接地址，一次间接地址，多次间接地址。

Unix SystemV的分配采用了三级索引分配方式。共设置了13个索引地址项。前10个：iaddr(0)~iaddr(9)为直接地址项，iaddr(10)为一次间接地址项，iaddr(11)为二次间接地址项，iaddr(12)为三次间接地址项。

一、文件控制块（FCB）

目的：为了能对一个文件进行正确的存取。

内容：

1、基本信息类：包括文件名，文件物理位置，文件逻辑结构，文件的物理结构。

2、存取控制信息类：包括文件主的存取权限，核准用户的存取权限和一般用户的存取权限。

3、使用信息类：建立日期和时间、文件上次修改的日期和时间

4、当前使用信息：打开该文件的进程数、是否被进程锁住、是否已修改等。

二、索引节点

文件名、文件具体信息分开，使文件描述信息单独形成一个索引结点。

磁盘索引结点：存放在磁盘上的索引结点。主要包括以下内容：文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间。

内存索引结点：文件被打开后，将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中以便使用。比磁盘索引结点增加了以下内容：索引结点编号、状态、访问计数、文件所属文件系统的逻辑设备号、链接指针。

三、目录结构

（1）单级目录结构

整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一个目录项，含有文件相关信息。

优点：简单，能实现基本功能

缺点：不允许重名，不便于共享，

（2）两级目录结构

为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，UFD由用户所有文件的文件控制块组成。

系统建立一个主文件目录MFD， MFD中每个用户目录文件都占有一个目录项，其中包括用户名和指向UFD的指针。

优点：提高了速度，不同目录可重名，可共享

缺点：不提供子目录 *** 作，还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作。

（3）多级目录结构

这一路径上的目录和数据文件名用“/”连接成路径名，称为相对路径名。从根开始的路径名称为绝对路径名

优点：便于系统和用户将文件分散管理；提供更灵活的权限管理等

四、文件共享与保护

1、共享

基本FCB法：直接在文件目录中包含文件的物理地址

文件名+索引结点指针：一个用户修改指针指向地址里的内容，指针不变，其他用户通过指针总能感知索引结点中的最新内容

符号链法：创建一个link类型的文件：“文件名+共享文件路径”。文件主人删除文件，共享者只会出现找不到文件错误。

五、文件 *** 作

创建、删除；读、写；设置读写位置；打开、关闭；修改属性 *** 作。

六、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）：定长记录（通常为顺序文件）；变长记录（通常为索引文件、索引顺序文件）。

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）；顺序结构（按关键字排序）

检索方法：从头检索；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

（2）索引文件

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

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

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。

七、外存分配方式

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；利于文件的动态增加和修改

2、链接分配

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。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。

为了提高文件系统访问速度，FAT一般常驻内存

计算：

表项个数 = 盘块个数= 容量 / 盘块大小

表项大小=决定于盘块数量编号需要的位数

FAT表大小 = 表项个数 * 表项大小

磁盘组织：以簇为单位分配回收、但不规定盘块大小；

文件组织：以卷为单位，将卷的所有文件信息、目录信息、可用未分配空间记录在主控文件表MFT中。

3、索引分配

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：适合大文件

（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）。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

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

八、存储空间的管理

记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；提供对存储空间分配、回收的 *** 作手段。

1、空闲表法

（1）数据结构：系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表，表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块数等。将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。

（2）空间的分配和回收：与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等。回收主要解决对数据结构的数据修改。

2、空闲链表法

（1）数据结构：链（空闲盘块链、空闲盘区链）

（2）空间的分配和回收：

空闲盘块链：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。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。

空闲盘区链：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。

优缺点：

空闲盘块链：分配回收简单。链表长，大量分配时需要 *** 作的指针多

空闲盘区链：链表长度不定，分配时 *** 作的指针数量相对较少，但分配回收 *** 作相对复杂。

3、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。

（1）数据结构：二维数组

（2）空间的分配和回收：

分配：1、顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。2、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 *** 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）*。3、修改位示图。

回收：

1、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）

2、修改位示图。

4、成组链接法

所有盘块按规定大小划分为组；组间建立链接；组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且支持离散分配回收。组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且分配回收比较简单。支持离散分配回收。

（1）数据结构：空闲盘块号栈（用来存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号）；链接

（每一组的第一个盘块记录下一组的盘块号，形成了一条链。总将链的第一组盘块总数和所有的盘块号，记入栈，作为当前可供分配的空闲盘块号。）

（2）空闲盘块的分配与回收

分配：须调用分配过程来完成

1、检查空闲盘块号栈是否上锁，如没有，便从栈顶取出一空闲盘块号，将与之对应的盘块分配给用户，然后将栈顶指针下移一格。

2、若该盘块号已是栈底，即S.free(0)，到达当前栈中最后一个可供分配的盘块号。

3、读取该盘块号所对应的盘块中的信息：即下一组可用的盘块号入栈。

4、原栈底盘块分配出去。修改栈中的空闲盘块数。

回收：

1、回收盘块号记入栈顶，空闲数N加1

2、N达到100时，若再回收一块，则将该100条信息填写入新回收块。

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