3. 文件的物理结构

物理结构：文件的数据是如何存放在外存中的

文件块：文件的逻辑地址空间也被分为一个一个的文件块【逻辑块号，块内地址】

磁盘块：磁盘的存储单元也会被分为一个个 块/磁盘块/物理块

1. 连续分配

连续分配要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块

文件目录中记录存放该文件在外存中的起始块和长度

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）

• 物理块号 = 起始块号 + 逻辑块号

优点：

• 连续分配的文件在顺序读写时速度最快

• 连续分配可以支持顺序访问 & 随机访问

缺点：

• 不方便扩展。如果需要新增一个磁盘块，但连续的地方没有位置了，就需要把所有磁盘块一起移动到空间满足的位置

• 存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片（可用紧凑技术处理碎片，但是时间代价大）

2. 链接分配

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 & 显示链接

2.1 隐式链接

除文件的最后一个盘块之外，每个盘块都存有指向下一个盘块的指针

文件目录中记录存放该文件在外存中的起始块号和结束块号

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）

• 从目录项中找到起始块号（即 0 号块），将 0 号逻辑地址读入内存，由此知道 1 号逻辑块存放的物理地址，于是读入 1 号逻辑块，再找到 2 号逻辑块，以此类推...

• 因此，读入 i 号逻辑块，总共需要 i + 1 次磁盘 I/O

扩展文件：随便找到一个空闲磁盘块，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，指向下一个磁盘块的指针也需要消耗一定的存储空间

2.2 显示链接

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）

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。其文件分配表如下图所示：

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，物理块号可以隐含

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）

• 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

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

3. 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

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

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

问题：如果一个文件的大小超过了256块，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？

3.1 链接索引

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

存在问题：如果需要访问第 256 块，需要先调出 7 号物理块对应的索引块，然后遍历到 255 号，知道第二个索引块，然后才能访问到 256 号，效率极低

3.2 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

若某文件采用两层索引，则该文件最大长度可以到 256 * 256 * 1KB = 65536KB = 64MB

可以根据逻辑块号计算出应该查询索引表中的表项：

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

• 一级索引的 4 号块，二级索引的 2 号块

采用 K 层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要 K + 1 次读写操作

3.3 混合索引

多种索引方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，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（指向单层索引块），还包含两级间接索引（指向两层索引表）

3.4 总结

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，且顶级索引表未调入内存，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，一个文件的顶级索引表中，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

4. 总结