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操作系统磁盘存储器管理知识点

对磁盘存储器管理的主要任务和要求

  1. 有效地利用存储空间
  2. 提高磁盘的I/O速度
  3. 提高磁盘系统的可靠性
外存的组织方式
  1. 连续组织方式(连续分配方式)
    1. 概述
      1. 定义
        连续组织方式要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块
      2. 记录方法
        在目录项的“文件物理地址”字段中记录该文件第一个记录所在的盘块号和文件长度(以盘块为单位)
    2. 优点
      1. 顺序访问容易
      2. 顺序访问速度快,磁头的移动距离最少
    3. 缺点
      1. 要求为一个文件分配连续的存储空间;且易产生许多外部碎片
      2. 必须事先知道文件的长度
      3. 不能灵活地删除和插入记录
      4. 文件长度不宜动态增加
  2. 链接组织方式
    1. 隐式链接
      1. 注意事项
        在文件目录的每个目录项中,都须含有指向链接文件第一个盘块和最后一个盘块的指针
      2. 缺点
        无法直接访问盘块且稳定性差
    2. 显式链接
      1. 定义
        把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在内存的一张链接表中,记为文件分配表FAT。文件分配表在整个磁盘中仅设置一张
      2. 优点
        不仅显著地提高了检索速度,而且大大减少了访问磁盘的次数
    3. 链接组织方式优点
      1. 消除了磁盘的外部碎片,提高了外存的利用率
      2. 对插入、删除和修改记录都非常容易
      3. 能适应文件的动态增长,无需事先知道文件的大小
    4. 链接组织方式缺点
      1. 不支持高效的直接存取
      2. FAT需占用较大的内存空间
  3. 索引组织方式
    1. 单级索引组织方式
      1. 索引分配方法
        把每个文件的所有盘块号都记录在一个索引块(表)中
      2. 优点
        1. 支持直接访问
        2. 不会产生外部碎片
      3. 缺点
        1. 对于小文件采用索引分配方式时,其索引块的利用率将是极低的
        2. 索引表增加存储空间开销,索引表的查找方法影响文件系统的效率
    2. 多级索引组织方式
      1. 概述
        多层索引使第一层索引块指向第二层索引块,第二层索引块再指向操盘空间的盘块。文件过大时,还可以指向第三层索引……
      2. 优点
        大大加快了对大型文件的查找速度
      3. 缺点
        在访问一个盘块时,其所需启动磁盘的次数随着索引级数的增加而增多
    3. 增量式索引组织方式(混合组织方式)
      增量式索引组织方式既采用了直接寻址方式,又采用了单级和多级索引组织方式(间接寻址)
文件存储空间的管理
  1. 空闲表法和空闲链表法
    1. 空闲表法
      1. 空闲表
        空闲表法属于连续分配方式,系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表,每个空闲区对应于一个空闲表项
        ![[Pasted image 20241207135108.png]]

      2. 存储空间的分配与回收
        空闲盘区的分配同样是采用首次适应算法和最佳适应算法等算法

    2. 空闲链表法
      空闲链表法是将所有空闲盘区拉成一条空闲链。根据构成链所用基本元素的不同,可把链表分成:
      1. 空闲盘块链
        1. 优点
          用于分配和回收一个盘块的过程非常简单
        2. 缺点
          在为一个文件分配盘块时,可能要重复操作多次,分配和回收的效率较低
          以盘块为单位,相应的空闲盘块链会很长
      2. 空闲盘区链
        1. 优点
          分配和回收的效率可能较高,每次为文件分配多个连续的块,且空闲盘区链较短
        2. 缺点
          分配与回收的过程比较复杂
  2. 位示图法
    1. 位示图
      位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况。当其值为“0”时,表示对应的盘块空闲;为“1”时,表示已分配
      ![[Pasted image 20241207135032.png]]

    2. 盘块的分配
      根据位示图进行盘块分配的步骤如下:

      1. 顺序扫描位示图,从中找出一个或一组其值为“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相应的盘块号。假定找到的其值为“0”的二进制位位于位示图的第i行、第j列,则其相应的盘块号应按下式计算
        b = n ( i - 1 ) + j,式中,n代表每行的位数。
      3. 修改位示图,令 map[i,j] = 1
    3. 盘块的回收
      根据位示图对盘块进行回收的步骤如下:

      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 = (b - 1) DIV n + 1,j = (b - 1) MOD n + 1
      2. 修改位示图。令 map[i,j] = 0
    4. 优点

      1. 从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块
      2. 由于位示图占用空间少,因而可将它保存在内存中,进而节省了许多磁盘的启动操作
  3. 成组链接法
    成组链接法是空闲表和空闲链表的结合,适合与大型文件系统中
提高磁盘 I/O 速度的途径
  1. 为了提高对文件的访问速度,从三方面入手
    1. 改进文件的目录结构以及检索目录的方法来减少对目录的查找时间
    2. 选取好的文件存储结构,以提高对文件的访问速度
    3. 提高磁盘的I/O速度,能将文件中的数据快速地从磁盘传送到内存中
  2. 采用磁盘高速缓存
  3. 提高磁盘 VO 速度的其他方法
    1. 提前读
    2. 延迟写
    3. 优化物理块的分布
    4. 使用虚拟盘
  4. 廉价磁盘冗余阵列(RAID)
    1. RAID 的分级
      1. RAID 0级
        1. 将数据分块,即把数据分布到多个盘上
        2. 无冗余校验功能
      2. RAID 1级
        1. 具有磁盘镜像功能,可利用并行读、写特性,将数据分块同时写入主盘和镜像盘
        2. 可靠性好,且从故障中恢复很简单
        3. 磁盘容量的利用率只有50%
      3. RAID 3级
        1. 具有并行传输功能
        2. 校验盘采用奇偶校验
      4. RAID 5级
        1. 具有独立传送功能
        2. 奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上
      5. RAID 6级
        设置了一个专用的、可快速访问的异步校验盘。具有独立的数据访问通路。
      6. RAID 7级
        采用Cache,是对RAID6的改进
    2. RAID 的优点
      1. 可靠性高
      2. 磁盘I/O速度高
      3. 性价比高
提高磁盘可靠性的技术
  1. 第一级容错技术 SFT-I
    1. 双份目录和双份文件分配表
    2. 热修复重定向和写后读校验
  2. 第二级容错技术 SFT-II
    1. 磁盘镜像
    2. 磁盘双工
  3. 基于集群技术的容错功能配置后备系统、
数据一致性控制
  1. 事务
    1. 事务的定义
      事务是用于访问和修改各种数据项的一个程序单位
    2. 事务的属性
      1. 原子性
      2. 一致性
      3. 隔离性
      4. 持久性
  2. 检查点
    检查点的作用是使对事务记录表中事务记录的清理工作经常化
  3. 并发控制
    1. 利用互斥锁实现“顺序性”
    2. 利用互斥锁和共享锁实现顺序性

原文地址:https://blog.csdn.net/CoderZzz6310/article/details/144309831

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