文章目錄

• • 第八章 磁盤存儲(chǔ)器管理
  • • 8.1 外存的組織方式
    • • 8.1.1 連續(xù)組織方式
      • 8.1.2 鏈接組織方式
      • 8.1.3 FAT技術(shù)
      • 8.1.4 NTFS的文件組織方式
      • 8.1.5 索引組織方式
    • 8.2 文件存儲(chǔ)空間的管理
    • • 8.2.1 空閑表法和空閑鏈表法
      • 8.2.2 位示圖法
      • 8.2.3 成組鏈接法
    • 8.3 提高I/O速度的途徑
    • • 8.3.1 磁盤高速緩存
      • 8.3.2 提高磁盤I/O速度的其他方法
      • 8.3.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列(RAID)
    • 8.4 提高磁盤速度的可靠性技術(shù)
    • • 8.4.1 第一級容錯(cuò)技術(shù) STF-I
      • 8.4.2 第二級容錯(cuò)技術(shù) STF-II
      • 8.4.3 基于集群技術(shù)的容錯(cuò)功能
      • 8.4.4 后備系統(tǒng)
    • 8.5 數(shù)據(jù)一致性控制
    • • 8.5.1 事務(wù)
      • 8.5.2 檢查點(diǎn)
      • 8.5.3 并發(fā)控制
      • 8.5.4 重復(fù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)一致性問題

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主要任務(wù)：

有效利用存儲(chǔ)空間，提高磁盤的I/O速度，提高磁盤系統(tǒng)的可靠性

8.1 外存的組織方式

如何為一個(gè)文件分配磁盤空間，磁盤最小空間是盤塊(扇區(qū))，即文件的盤塊是如何組織的

• 連續(xù)組織方式
• 鏈接組織方式
• 索引組織方式

8.1.1 連續(xù)組織方式

為每個(gè)文件分配一組相鄰的連續(xù)盤塊

目錄上：存放每個(gè)文件名，開始盤塊號(hào)，長度

優(yōu)點(diǎn):順序訪問容易，訪問速度快；

缺點(diǎn):

• 要求連續(xù)的分配空間
• 事先必須知道文件長度
• 不適合動(dòng)態(tài)增長
• 不能靈活增加和刪除

8.1.2 鏈接組織方式

每個(gè)文件分配的盤塊是可以離散的

• 鏈接方式

  ①隱式鏈接

  目錄上:存放每個(gè)文件名，開始盤塊號(hào)，截至盤塊號(hào)

  隱式:盤塊上有指向下一盤塊的指針

  ②顯式鏈接

  目錄上:存放每個(gè)文件名，開始盤塊號(hào)

  顯式:用一個(gè)FAT文件分配表記錄記錄所有的物理塊號(hào)，以及每一個(gè)物理盤塊鏈接的下一個(gè)盤塊

8.1.3 FAT技術(shù)

利用顯式鏈接的組織方式組織文件系統(tǒng)

• FAT代數(shù)

  以簇為單位分配和回收的基本單位，一簇是一組鄰接的盤塊

  所支持的文件系統(tǒng)容量大小=一簇的大小 * 2的FAT位數(shù)的次方 * 分區(qū)數(shù)

以簇為單位的好處

能適應(yīng)磁盤容量不斷增大的情況，還可以減少FAT表中的項(xiàng)數(shù)，使FAT表占用更少的存儲(chǔ)空間，并減少訪問FAT表的存取開銷

從FAT12->FAT16->FAT32

FAT表項(xiàng)有限制，最多允許4096個(gè)，隨著磁盤容量的增加，必然會(huì)引起簇內(nèi)碎片和簇的大小增加

FAT16表的長度只有65356項(xiàng)，隨著磁盤容量的增加，簇的大小也必然會(huì)隨之增加，為了減少簇內(nèi)碎片，也就應(yīng)當(dāng)增加FAT表的長度，為此需要再增加FAT表的寬度，這樣也就由FAT16演變?yōu)镕AT32。

FAT32 是FAT系列文件系統(tǒng)最后產(chǎn)物，F(xiàn)AT32每個(gè)簇固定4KB，每簇8個(gè)盤塊，F(xiàn)AT32可以管理大磁盤空間大到2TB。

FAT32不向下兼容，運(yùn)行速度比FAT16慢，有最小管理空間限制，F(xiàn)AT32卷至少有65537個(gè)簇

8.1.4 NTFS的文件組織方式

NTFS(New Technology File System)是一個(gè)專門為Windows NT開發(fā)的、全新的文件系統(tǒng)，并適用于Windows 2000/XP及后續(xù)的Windows OS。

• 磁盤組織

  NTFS是以簇作為磁盤空間分配和回收的基本單位的。

  一個(gè)文件占用若干個(gè)簇，一個(gè)簇只屬于一個(gè)文件

  這樣，在為文件分配磁盤空間時(shí)，就無須知道盤塊的大小，只要根據(jù)不同的磁盤容量，選擇相應(yīng)大小的簇，即使NTFS具有了與磁盤物理塊大小無關(guān)的獨(dú)立性。

• 文件組織

  在NTFS中，以卷為單位，將一個(gè)卷中的所有文件信息、目錄信息以及可用的未分配空間信息，都以文件記錄的方式記錄在一張主控文件表MFT(Master File Table)中。

  該表是NTFS卷結(jié)構(gòu)的中心，從邏輯上講，卷中的每個(gè)文件作為一條記錄，在MFT表中占有一行，其中還包括MFT自己的這一行。每行大小固定為1 B，每行稱為該行所對應(yīng)文件的元數(shù)據(jù)(metadata)，也稱為文件控制字。

特征:64位磁盤地址，具有數(shù)據(jù)一致性檢查等功能

8.1.5 索引組織方式

鏈接組織方式解決了連續(xù)組織的問題(不便于隨機(jī)訪問)，出現(xiàn)新問題:

• 不支持高效直接存取
• FAT需占用較大的內(nèi)存空間，盤塊號(hào)隨機(jī)分布在FAT中，查找一個(gè)文件所有盤塊號(hào)，需將整個(gè)FAT放入內(nèi)存空間

• 所以我們只需將打開文件的盤塊號(hào)調(diào)入內(nèi)存，沒必要將整個(gè)FAT調(diào)入內(nèi)存

  為每個(gè)文件分配一個(gè)索引表

  索引表都分配在一個(gè)盤塊中，稱為索引盤塊

  目錄上:保存每個(gè)文件的文件名和索引盤塊號(hào)

優(yōu)點(diǎn):大大加快了大型文件的查找速度

缺點(diǎn):小型文件多,那個(gè)索引盤塊就多，且索引盤塊利用率不高

單級索引組織方式

圖1 單級索引組織方式

多級索引組織方式

在為一個(gè)大文件分配磁盤空間時(shí)，如果所分配出去的盤塊的盤塊號(hào)已經(jīng)裝滿一個(gè)索引塊時(shí)，OS須再為該文件分配另一個(gè)索引塊，用于將以后繼續(xù)為之分配的盤塊號(hào)記錄于其中。依此類推，再通過鏈指針將各索引塊按序鏈接起來。

圖2 二級索引分配

增量式索引方式

混合式的，大，中，小文件都能照顧到

8.2 文件存儲(chǔ)空間的管理

對文件存儲(chǔ)空間的管理：主要是哪些盤塊已被使用，哪些未被使用，其次還要提供分配和回收操作

8.2.1 空閑表法和空閑鏈表法

空閑表法(連續(xù))

記錄連續(xù)的空閑盤塊的第一盤塊號(hào)與空閑盤塊數(shù)

• 分配與回收:每次分配都可以采用FCFS等分配一個(gè)連續(xù)的空閑盤塊

優(yōu)點(diǎn):較高分配速度，減少磁盤I/O頻率

缺點(diǎn):分配空間必須是連續(xù)的

空閑鏈表法(離散)

空閑盤塊拉成一個(gè)空閑盤塊鏈

• 分配與回收:離散分配盤塊

優(yōu)點(diǎn):分配和回收過程非常簡單

缺點(diǎn):分配盤塊，可能要重復(fù)操作多次，分配和回收效率低

8.2.2 位示圖法

利用二進(jìn)制1或0表示是否使用，所有盤塊對應(yīng)的位構(gòu)成一個(gè)集合

• 分配與回收:查找狀態(tài)位空閑的未分配盤塊，轉(zhuǎn)換出對應(yīng)盤塊的物理地址，修改位示圖

8.2.3 成組鏈接法

UNIX采用將空閑表和空閑鏈表法結(jié)合起來的方式

8.3 提高I/O速度的途徑

高速緩存，提前讀，延遲寫，優(yōu)化物理塊分布，虛擬盤，廉價(jià)磁盤冗余陣列

8.3.1 磁盤高速緩存

在內(nèi)存中為磁盤盤塊，指定一個(gè)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)里保存的是某些盤塊副本

1. 如何將磁盤高速緩存的數(shù)據(jù)傳輸給請求進(jìn)程？

   ① 數(shù)據(jù)交付:把數(shù)據(jù)交付給該請求進(jìn)程的內(nèi)存工作區(qū)中

   ②指針交付:將指向該緩沖數(shù)據(jù)的指針交付給請求進(jìn)程

2. 采取什么置換策略？

   使用置換算法考慮因素:訪問頻率，可預(yù)見性，數(shù)據(jù)的一致性

3. 已修改的數(shù)據(jù)如何從緩沖重新寫入磁盤？

   周期性寫回磁盤

8.3.2 提高磁盤I/O速度的其他方法

• 提前讀 適合順序文件，提前將下一個(gè)盤塊的數(shù)據(jù)存到內(nèi)存中
• 延遲寫 數(shù)據(jù)并不立即寫入磁盤，而是掛在緩沖區(qū)，減少磁頭的移動(dòng)
• 優(yōu)化物理塊的分布 盤塊分配盡量在一起，減少磁頭移動(dòng)
• 虛擬盤 利用內(nèi)存區(qū)仿真磁盤

8.3.3 廉價(jià)磁盤冗余陣列(RAID)

• RAID0 (并行交叉存取)

  每個(gè)盤塊數(shù)據(jù)分為若干子盤塊，把每個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到不同磁盤的相同位置，將整個(gè)盤塊數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存時(shí)，采用并行傳輸方式，將各個(gè)子盤塊數(shù)據(jù)同時(shí)向內(nèi)存?zhèn)鬏?/p>

  RAID1(磁盤鏡像功能)

  RAID2(并行傳輸功能)

  RAID5(具有獨(dú)立傳送功能)

• 優(yōu)點(diǎn): 并行傳輸提高I/O速度，(除RAID0)有備份可靠性高，利用小磁盤組成價(jià)格優(yōu)惠

8.4 提高磁盤速度的可靠性技術(shù) 8.4.1 第一級容錯(cuò)技術(shù) STF-I

低級磁盤

作用:

防止磁盤因表面缺陷而造成數(shù)據(jù)丟失

措施:

雙份目錄和雙份文件分配表(備份)

熱修復(fù)重定向和寫后讀校驗(yàn)

8.4.2 第二級容錯(cuò)技術(shù) STF-II

中級磁盤

作用

防止磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤控制器故障所導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作

措施:

磁盤鏡像:在同一個(gè)磁盤控制器下再建立一個(gè)完全相同的磁盤驅(qū)動(dòng)器(備份)

磁盤雙工:在主機(jī)下再增設(shè)一個(gè)相同磁盤控制器(備份)

8.4.3 基于集群技術(shù)的容錯(cuò)功能

集群:多主機(jī)組成的一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

措施

雙機(jī)熱設(shè)備模式:一臺(tái)主機(jī)工作，一臺(tái)主機(jī)備份

雙機(jī)互為備份模式:雙機(jī)同時(shí)工作，各自工作各自任務(wù)，每個(gè)服務(wù)器都配有兩個(gè)磁盤，一個(gè)用于使用，一個(gè)用于接受對方備份數(shù)據(jù)

公用磁盤:雙機(jī)模式共有一個(gè)磁盤，一個(gè)磁盤分為兩個(gè)卷來使用

8.4.4 后備系統(tǒng)

防止自然因素破壞

• 磁盤帶
• 硬盤
• 光盤驅(qū)動(dòng)器
  • 只讀光盤驅(qū)動(dòng)器:CD-ROM和DVD-ROM
  • 可讀可寫光盤驅(qū)動(dòng)器（刻錄機(jī)）:CD-RW,COMBO刻錄機(jī)，DVD刻錄機(jī)

8.5 數(shù)據(jù)一致性控制

數(shù)據(jù)一致性：數(shù)據(jù)在不同文件下，在任何時(shí)候都是相同的

8.5.1 事務(wù)

事務(wù)是用于訪問和修改各種數(shù)據(jù)項(xiàng)的一個(gè)程序單位。 可被看作一系列讀和寫的操作

• 操作

托付操作:指事務(wù)對所有文件的讀，寫操作全部完成

關(guān)系操作:指事務(wù)對多個(gè)文件的任何一個(gè)操作失敗都會(huì)導(dǎo)致夭折

• 屬性

對一批數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，要么全部完成，要么一個(gè)也不修改

• 借助:事務(wù)記錄

事務(wù)記錄是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠記錄事務(wù)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)項(xiàng)修改的全部信息

• 事務(wù)的恢復(fù)算法

①undo:事務(wù)記錄只有開始操作，沒有托付操作，就將所有數(shù)據(jù)還原

②redo:事務(wù)有開始和托付操作:就將所有數(shù)據(jù)更新

8.5.2 檢查點(diǎn)

記錄事務(wù)隨著時(shí)間的增加，記錄的數(shù)據(jù)會(huì)越來越多

完成事務(wù)表的清理工作

• 在發(fā)生故障后，并不需要對所有事務(wù)表中的索引記錄事務(wù)進(jìn)行處理，只需要對最后一個(gè)檢查點(diǎn)之后的記錄事務(wù)進(jìn)行處理

8.5.3 并發(fā)控制

各個(gè)事務(wù)執(zhí)行是順序的，只有一個(gè)事務(wù)執(zhí)行后，才允許另外一個(gè)事務(wù)開始執(zhí)行，如何保證順序性

并發(fā)控制:

• 利用互斥鎖:只有獲得對象的互斥鎖才能對對象進(jìn)行操作(效率不高)
• 共享文件只允許一個(gè)事務(wù)去寫，卻允許多個(gè)文件去讀；引入共享鎖
• 區(qū)別:互斥鎖一個(gè)只允許一個(gè)事務(wù)讀寫，共享鎖允許多個(gè)事務(wù)讀，但不可寫

信號(hào)量機(jī)制

8.5.4 重復(fù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)一致性問題

1. 重復(fù)文件一致性

   對于UNIX文件目錄，其每個(gè)目錄項(xiàng)中含有一個(gè)ASCII碼的文件名和一個(gè)索引結(jié)點(diǎn)號(hào)，后者指向一個(gè)索引結(jié)點(diǎn)。
   當(dāng)有重復(fù)文件，一個(gè)目錄項(xiàng)由一個(gè)文件名和若干索引結(jié)點(diǎn)號(hào)組成，索引結(jié)點(diǎn)號(hào)對應(yīng)各自索引結(jié)點(diǎn)

2. 鏈接數(shù)一致性

   在UNIX的文件目錄中，其每個(gè)目錄項(xiàng)內(nèi)都含有一個(gè)索引結(jié)點(diǎn)號(hào)，用于指向該文件的索引結(jié)點(diǎn)。

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• 參考：計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)（第四版）（湯小丹)

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當(dāng)前標(biāo)題：第八章磁盤存儲(chǔ)器管理(湯小丹版操作系統(tǒng)筆記)超全超詳細(xì)！！！-創(chuàng)新互聯(lián)
URL網(wǎng)址：http://www.chinadenli.net/article44/dijoee.html

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