《文件在外存的存储方式及磁盘空间管理全解析》
一、文件在外存的存储方式
（一）连续分配
1、基本原理
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- 连续分配是一种简单的文件存储方式，在这种方式下，文件被存储在磁盘上连续的物理块中，一个文件需要占用n个磁盘块，系统会为该文件分配连续的n个块，这种方式在逻辑上和物理上都保持了文件数据的连续性。
- 对于顺序访问的文件，连续分配方式具有很高的效率，因为磁头可以按照顺序依次读取文件的各个块，不需要频繁地进行寻道操作，对于一个大型的视频文件，如果采用连续分配，播放时磁头可以平稳地沿着磁盘表面读取数据，减少播放卡顿的可能性。
2、优缺点
- 优点：顺序访问速度快，实现简单，由于文件数据是连续存放的，所以在顺序读取文件时，磁头移动的距离最短，访问速度最快，文件的分配和管理相对简单，只需要记录文件的起始块号和文件长度即可。
- 缺点：不利于文件的动态增长和收缩，如果一个已经分配了连续磁盘块的文件需要扩展，可能没有足够的连续空间可用，导致文件无法扩展，这种方式会造成磁盘空间的外部碎片，即磁盘中存在许多分散的小空闲块，这些小空闲块由于不连续而无法被有效利用。
（二）链接分配
1、隐式链接
- 隐式链接将文件的各个物理块通过指针链接起来，每个磁盘块的末尾包含指向下一个磁盘块的指针，文件的目录项中只记录文件的起始块号，当需要访问文件中的某个块时，系统从起始块开始，根据块中的指针依次找到后续的块。
- 一个文件被分成了多个块，块1的末尾有指针指向块2，块2的末尾有指针指向块3，以此类推，这种方式解决了连续分配中文件动态增长的问题，因为只要有空闲的磁盘块，就可以将新的块链接到文件末尾。
2、显式链接
- 显式链接采用文件分配表（FAT）来管理文件的磁盘块链接，FAT是一个磁盘上专门的数据结构，表中的每个表项对应一个磁盘块号，表项的值表示下一个磁盘块的块号，文件的目录项中记录文件的起始块号，通过查询FAT可以找到文件的所有块。
- 与隐式链接相比，显式链接的优点是可以直接访问文件中的任意块，而不需要从起始块开始依次查找，FAT也方便了磁盘空间的管理，系统可以通过FAT快速地找到空闲的磁盘块。
3、优缺点
- 优点：解决了连续分配中文件动态增长的问题，有效地利用了磁盘空间，不会产生外部碎片。
- 缺点：对于隐式链接，随机访问效率低，因为要访问文件中的某个块需要从起始块开始依次查找，而对于显式链接，FAT需要占用一定的磁盘空间，并且FAT的更新操作比较复杂。
（三）索引分配
1、单级索引
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- 在单级索引分配方式中，为每个文件建立一个索引块，索引块中包含了文件所有磁盘块的块号，文件的目录项中记录索引块的块号，当访问文件时，先读取索引块，然后根据索引块中的块号找到文件的各个磁盘块。
- 一个文件占用了n个磁盘块，索引块中就记录了这n个块的块号，这种方式可以实现对文件的随机访问，因为可以直接从索引块中获取任意磁盘块的位置。
2、多级索引
- 当文件较大时，单级索引块可能无法容纳所有的磁盘块号，此时可以采用多级索引，采用二级索引时，第一级索引块中的表项指向第二级索引块，第二级索引块中的表项才指向文件的磁盘块。
3、优缺点
- 优点：支持文件的随机访问，并且可以方便地处理大文件，通过多级索引，可以有效地管理大型文件的磁盘块分配。
- 缺点：索引块需要占用磁盘空间，特别是对于小文件，索引块的开销相对较大，索引块的管理也需要一定的开销，例如索引块的更新、维护等操作。
二、磁盘空间的管理方式
（一）空闲表法
1、原理
- 空闲表法是一种比较直观的磁盘空间管理方式，系统为磁盘建立一个空闲表，表中的每个表项记录一个空闲磁盘块的起始块号和块数，当需要分配磁盘块时，系统从空闲表中查找合适的空闲块进行分配；当文件删除释放磁盘块时，将释放的磁盘块信息添加到空闲表中。
2、优缺点
- 优点：简单直观，对于连续分配方式比较适用，可以直接找到连续的空闲磁盘块，方便文件的连续分配。
- 缺点：空闲表的大小可能会比较大，占用较多的内存空间，随着磁盘的使用，空闲表的维护成本较高，查找空闲块的效率会逐渐降低。
（二）空闲链表法
1、原理
- 空闲链表法将磁盘上的空闲块通过指针链接起来形成一个链表，链表中的每个节点对应一个空闲磁盘块，节点中包含指向下一个空闲块的指针，系统可以从链表的头节点开始查找空闲块进行分配，释放磁盘块时将其插入到链表的适当位置。
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2、优缺点
- 优点：不需要占用大量的内存空间来存储空闲块信息，只需要维护链表的指针即可，空闲链表的插入和删除操作相对简单。
- 缺点：随机查找空闲块的效率较低，因为需要沿着链表依次查找，对于连续分配，要找到足够的连续空闲块可能比较困难。
（三）位示图法
1、原理
- 位示图法是一种用二进制位来表示磁盘块状态的方法，磁盘上的每个块对应位示图中的一位，0表示该块为空闲块，1表示该块已被占用，一个磁盘有n个块，位示图就有n位，系统通过扫描位示图来查找空闲块和已占用块。
2、优缺点
- 优点：占用空间小，位示图的大小只与磁盘的块数有关，与磁盘的容量无关，查找空闲块和已占用块的速度较快，可以通过简单的位运算来实现。
- 缺点：在位示图较大时，更新位示图可能会比较复杂，特别是在多进程并发访问磁盘时，需要考虑位示图的一致性问题。
（四）成组链接法
1、原理
- 成组链接法是将磁盘上的空闲块分成若干组，每组中的空闲块通过指针链接起来，每组的最后一个空闲块中记录下一组空闲块的起始块号，系统通过维护一个特殊的栈结构来管理这些组，栈顶元素指向当前可分配的空闲块组。
2、优缺点
- 优点：综合了空闲表法和空闲链表法的优点，既可以快速地找到空闲块，又不需要占用过多的内存空间，对于磁盘空间的动态管理比较方便。
- 缺点：管理相对复杂，需要维护组与组之间的关系以及栈结构，算法实现的难度较大。
文件在外存的存储方式和磁盘空间的管理方式是紧密相关的，不同的文件存储方式对磁盘空间管理有不同的要求，而不同的磁盘空间管理方式也会影响文件存储的效率和灵活性，在实际的操作系统设计中，需要根据系统的需求和特点，选择合适的文件存储方式和磁盘空间管理方式的组合，以达到最佳的磁盘资源利用和文件访问效率。
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