文件的物理结构（连续分配，链接分配，索引分配）

1.文件块，磁盘块

类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。
很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。

内存与磁盘之间的数据交换（即读/写操作、磁盘I/O）都是以“块”为单位进行的。
即每次读入一块，或每次写出一块。

• 在内存管理中，进程的逻辑地址空间被分为一个一个页面。
• 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也被分为了一个一个的文件“块”。
• 文件的逻辑地址也可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。
• 操作系统为文件分配存储空间都是以块为单位的。
• 用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统要负责实现从逻辑地址到物理地址的映射。

2.连接分配

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.地址转换

1. 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)
2. 物理块号=起始块号＋逻辑块号
3. 当然，还需要检查用户提供的逻辑块号是否合法（逻辑块号≥长度就不合法)

2.优点

• 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间（即随机访问)
• 连续分配的文件在顺序读/写时速度最快（读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。）

3.缺点

1.不便于拓展

1. 若此时文件A要拓展，需要再增加一个磁盘块（总共需要连续的4个磁盘块）。
2. 由于采用连续结构，因此文件A占用的磁盘块必须是连续的。
3. 因此只能将文件A全部“迁移”到绿色区域。

结论：物理上采用连续分配的文件不方便拓展。

2.产生磁盘碎片

结论：物理上采用连续分配，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片。

可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。

3.链接分配

链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。

1.隐式链接

1. 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）
2. 从目录项中找到起始块号（即0号块），
3. 将号逻辑块读入内存，由此知道1号逻辑块存放的物理块号，
4. 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。
5. 因此，读入i号逻辑块，总共需要i+1次磁盘I/O。

结论（缺点）：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，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。

1.文件的拓展

若此时要拓展文件，则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。

结论（优点）：采用隐式链接的链接分配方式，很方便文件拓展。
另外，所有的空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题，外存利用率高。

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，File Allocation Table)

1.例题

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

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”字段可以是隐含的。

2.地址转换

1. 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）
2. 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
3. 往后找到i号逻辑块对应的物理块号。
4. 逻辑块号转换成物理块号的过程不需要读磁盘操作。

结论（优点)：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i号逻辑块时，并不需要依次访问之前的0~ i-1号逻辑块），
由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。

显然，显式链接也不会产生外部碎片，也可以很方便地对文件进行拓展。

3.缺点

文件分配表的需要占用一定的存储空间。

注意：考试题目中遇到未指明隐式/显式的“链接分配”，默认指的是隐式链接的链接分配。

4.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。

1.例题

假设某个新创建的文件“aaa”的数据依次存放在磁盘块2→5 →13→>9 。
7号磁盘块作为“aaa”的索引块,索引块中保存了索引表的内容。

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。

索引表中的“逻辑块号”是可以隐含的。

2.地址转换

1. 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)
2. 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。

3.优缺点

• 优点：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)
• 缺点：索引表需要占用一定的存储空间。

4.大文件存储问题

若文件太大，索引表项太多，可以采取以下三种方法解决：

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。

1. 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。
2. 若一个文件大小为256*256KB =65,536 KB= 64MB
3. 该文件共有256256个块，也就对应256256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。
4. 若想要访问文件的最后一个逻辑块,就必须找到最后一个索引块（第256个索引块），而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前255个索引块。

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。

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。

1. 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。
2. 若某文件采用两层索引，则该文件的最大长度可以到2562561KB= 65,536 KB = 64MB
3. 可根据逻辑块号算出应该查找索引表中的哪个表项。
4. 如:要访问1026号逻辑块，则1026/256 = 4，1026%256=2
5. 因此可以先将一级索引表调入内存，查询4号表项，
6. 将其对应的二级索引表调入内存，再查询二级索引表的2号表项即可知道1026号逻辑块存放的磁盘块号了。
7. 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256256256*1KB=16GB
类似的，访问目标数据块，需要4次磁盘I/O。

总结：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。

3.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)。

对于小文件，只需较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块。(一般计算机中小文件更多)

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。