《外存文件分配方式全解析：深入探究多种存储模式》
一、引言
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在计算机系统中，文件存储是一个至关重要的环节，文件在外存（如硬盘、闪存等）上的分配方式直接影响着文件的存储效率、读写性能以及磁盘空间的利用率等多方面因素，了解文件在外存上的分配方式对于优化存储系统、提高系统整体性能具有重要意义。
二、连续分配方式
1、基本原理
- 连续分配是一种较为简单直观的文件分配方式，在这种方式下，文件被存储在磁盘上连续的物理块中，若一个文件需要占用n个磁盘块，那么系统会在磁盘上找到连续的n个空闲块来存储该文件。
- 这种分配方式在文件创建时就确定了文件的存储位置，文件的逻辑地址空间与物理地址空间是一一对应的，假设文件的起始物理块号为b，文件中的第i个逻辑块对应的物理块号就是b + i。
2、优点
- 顺序访问效率高，当对文件进行顺序读写操作时，由于文件的物理块是连续的，磁头不需要频繁移动就可以连续读取文件内容，对于一个存储在连续磁盘块中的视频文件，在播放时可以快速地从一个块读取到下一个块，减少了寻道时间。
- 实现简单，文件系统只需要记录文件的起始块号和文件长度就可以方便地对文件进行管理。
3、缺点
- 容易产生外部碎片，随着文件的创建和删除，磁盘上会出现一些分散的小空闲块，这些小空闲块由于不连续，无法满足较大文件的连续分配需求，当一个大文件需要存储时，可能找不到足够连续的空闲块，尽管磁盘总的空闲空间足够。
- 文件扩展困难，如果一个已经存在的文件需要扩展，可能没有足够的连续空闲块来满足扩展需求，这就需要进行文件的移动或者重新分配，操作较为复杂且耗时。
三、链接分配方式
1、隐式链接分配
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- 原理：在隐式链接分配中，文件的各个物理块通过指针链接起来，每个磁盘块中除了存储文件数据外，还包含一个指向下一个磁盘块的指针，文件的第一个块的地址被记录在文件的目录项中。
- 优点：有效地解决了连续分配中的外部碎片问题，因为文件不需要连续的磁盘块，只要有空闲块就可以进行分配，对于一些经常动态增长和收缩的文件，如日志文件，这种分配方式可以很好地适应其大小的变化。
- 缺点：随机访问效率低，如果要访问文件中的某个特定块，需要从文件的起始块开始，沿着指针依次查找，这会导致大量的磁盘寻道操作，要读取文件中间的某个块，可能需要经过多个磁盘块的查找过程。
2、显式链接分配
- 原理：显式链接分配采用了一个单独的链接表（通常称为文件分配表FAT）来记录文件的物理块链接情况，文件目录项中只记录文件的起始块号，通过查找FAT表可以获取文件各个物理块的连接情况。
- 优点：相比于隐式链接分配，它在一定程度上提高了随机访问的性能，因为可以直接通过FAT表查找特定块的位置，而不需要从起始块开始逐个查找。
- 缺点：FAT表需要占用一定的磁盘空间，并且当磁盘容量较大时，FAT表可能会变得非常庞大，这会影响文件系统的管理效率。
四、索引分配方式
1、单级索引分配
- 原理：为每个文件建立一个索引表，索引表中的每个表项记录了文件的一个物理块号，文件的目录项中记录索引表的起始地址，当访问文件时，先根据目录项找到索引表，再通过索引表找到对应的物理块。
- 优点：支持直接访问，无论是顺序访问还是随机访问，都可以通过索引表快速定位到文件的物理块，在数据库文件的存储中，经常需要随机访问特定的数据记录，索引分配方式可以很好地满足这种需求。
- 缺点：索引表本身也需要占用磁盘空间，如果文件较小，索引表的空间开销相对较大。
2、多级索引分配
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- 原理：当文件很大时，单级索引表可能会变得很大，多级索引分配就是为了解决这个问题，它采用了多层索引结构，例如二级索引结构，第一级索引表中的表项指向第二级索引表，第二级索引表中的表项才指向文件的物理块。
- 优点：可以有效地管理大型文件，通过多级索引，可以在不使索引表过于庞大的情况下，支持对非常大的文件的存储和访问。
- 缺点：增加了文件系统的复杂性，在文件访问时需要多次查找索引表，一定程度上会影响访问速度。
五、混合分配方式
1、原理
- 混合分配方式结合了上述几种分配方式的优点，对于较小的文件采用连续分配方式，以提高访问效率；对于较大的文件采用索引分配方式，以适应文件的大小变化和随机访问需求。
2、优点
- 可以根据文件的不同特性选择最适合的分配方式，从而在整体上提高文件系统的性能，在操作系统的文件系统中，系统文件通常较小且固定大小，可以采用连续分配；而用户的数据文件大小差异较大且访问模式多样，可以根据情况采用索引分配或者链接分配。
3、缺点
- 实现较为复杂，需要在文件系统中同时支持多种分配方式的管理机制，包括不同分配方式之间的转换、空间的分配和回收等操作。
六、结论
文件在外存上的分配方式各有优缺点，在实际的文件系统设计中，需要综合考虑文件的访问模式、文件大小、磁盘空间利用率等多方面因素来选择合适的分配方式，随着存储技术的不断发展，新的文件分配方式也在不断涌现，以满足日益增长的存储需求和性能要求。
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