操作系统第7章磁盘存储器管理ppt课件

1、磁盘存储器管理磁盘存储器管理内容提要内容提要 磁盘I/O 外存分配方法 空闲存储空间的管理 磁盘容错技术 文件系统性能的改善 数据一致性磁盘存储管理的主要义务磁盘存储管理的主要义务 为文件分配必要的空间 合理组织文件存取方式 提高磁盘空间的利用率 提高对磁盘的I/O速度 采取必要的冗余措施，确保系统可靠性磁盘磁盘I/OI/O 几乎一切可随机存取的文件，都存放在磁盘上。磁盘I/O速度的高低，将直接影响到文件系统的性能。如何改善磁盘I/O的性能，称为提高文件系统性能的关键。提高磁盘提高磁盘I/OI/O速度的主要途径速度的主要途径 选择性能好的磁盘 采用好的磁盘调度算法 设置磁盘高速缓冲区磁盘数据组

2、织磁盘数据组织 面 磁道 扇区 每个扇区包括两个字段：标识符字段和数据字段磁盘的分类磁盘的分类 固定头磁盘 挪动头磁盘磁盘访问时间磁盘访问时间 寻道时间Ts 旋转延迟时间Tr 传输时间Tt 访问时间Ta 可表示为：磁盘调度算法磁盘调度算法 先来先效能 最短寻道时间优先 扫描算法 循环扫描算法先来先效能先来先效能FCFSFCFS 这是最简单的磁盘调度算法 根据进程恳求访问磁盘的先后次序进展调度 优点是公平、简单，且每个进程的要求都可得四处置 由于未对寻道进展优化，致使平均寻道时间可以较长最短寻道时间优先最短寻道时间优先SSTFSSTF 该算法选择这样的进程，其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道间

3、隔最近。 该算法不能保证平均寻道时间最短。进程进程“饥饿景象饥饿景象 SSTF算法虽然获得较好的寻道性能，但它可以导致某些进程“饥饿。假设只需有新进程到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的间隔较近，这种新进程的I/O恳求必被优先满足。SCANSCAN算法算法 SCAN算法不仅思索到欲访问的磁道与当前磁道的间隔，更优先思索的是磁头的当前挪动方向。由于这种算法中磁头挪动的规律类似电梯的运转，又称为电梯调度算法。循环扫描算法循环扫描算法CSCANCSCAN SCAN算法既能获得较好的寻道时间，又能防止进程饥饿，故被广泛运用。为防止访问刚挪动过的磁道的进程被严重推迟，CSCAN算法规定磁头单向挪

4、动。N-step-SCANN-step-SCAN算法算法 在SSTF、SCAN和CSCAN几种调度算法中，都可以出现磁臂停留在某处不动的情况，称为磁臂粘着。N步SCAN算法是将磁盘恳求队列分成假设干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法一次处置这些子队列。每处置一个队列时，又按SCAN算法，对一个队列处置完后，又处置其它队列，以防止粘着景象。FSCANFSCAN算法算法 FSCAN算法本质上是N步SCAN算法的简化 它将磁盘恳求队列分成两个子队列 一是当前一切恳求磁盘I/O进程构成的队列，按SCAN算法进展处置 另一个队列是新出现的进程队列，将它们排入另一个等待处置的恳求队列，新恳求都将

5、被推出到下一次扫描时处置分配外存空间的主要问题分配外存空间的主要问题 怎样才干有效地利用外存空间 提高对文件的访问速率常用的外存分配方法常用的外存分配方法 延续分配 链接分配 索引分配延续分配延续分配 FSCAN算法本质上是N步SCAN算法的简化 它将磁盘恳求队列分成两个子队列 一是当前一切恳求磁盘I/O进程构成的队列，按SCAN算法进展处置 另一个队列是新出现的进程队列，将它们排入另一个等待处置的恳求队列，新恳求都将被推出到下一次扫描时处置磁盘空间的延续分配磁盘空间的延续分配count01234567f8910111213141516171819tr202122232425262728293

6、031maillistfilestartlengthcounttrmaillistf0214319628642目录目录延续分配的主要优点延续分配的主要优点 顺序访问容易 顺序访问速度快延续分配的主要缺陷延续分配的主要缺陷 要求有延续的存储空间 必需事先知道文件的长度链接分配链接分配 在采用链接分配方式时，可经过在每个盘块上的链接指针，将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链表，由此构成的物理文件称为链接文件 链接分配采取离散分配方式，从而消除了外部碎片 链接方式可分为：隐式链接和显式链接两种磁盘空间的延续分配磁盘空间的延续分配count01234567f891011121314151617

7、1819tr202122232425262728293031maillistfilestartendjeep925目录目录1625110-1隐式链接分配的主要问题隐式链接分配的主要问题 它只适于顺序访问，对随机访问是极其低效的 只经过链接指针来将一大批离散的盘块链接起来，其可靠性较差 为提高检索速度和减小指针所占用的存储空间，可将几个盘块组成一个簇显式链接显式链接 这是把用于链接文件各物理块的指针，显式地存放在内存的一张链接表。该表在整个磁盘仅设置一张，该表称为文件分配表FAT。MS-DOS及OS/2等操作系统都采用FAT。显式链接构造显式链接构造FCB2物理块号物理块号FAT01234504

8、51MS-DOSMS-DOS的文件物理构造的文件物理构造FCB A40FCB B9123456789FAT611105EOFEOF链接分配方式存在的问题链接分配方式存在的问题 不能支持高效地直接存取 FAT需占用较大的内存空间索引分配的引入索引分配的引入 为每个文件分配一个索引块，记录分配给该文件的一切盘块号 索引分配方式支持直接访问 索引分配方式的主要问题，是可以破费较多的外存空间 对较大文件而言，索引分配方式是优于链接分配的；但对小文件而言，索引块的利用率极低索引分配方法索引分配方法count01234567f8910111213141516171819202122232425262728

9、293031file块序号块序号jeep19目录目录19161102511119两级索引分配两级索引分配主索引主索引74036011253607401125105106254356357985第二级索引第二级索引985012105106254356357磁盘空间磁盘空间空闲存储空间管理的引入空闲存储空间管理的引入 系统应为分配存储空间而设置相应的数据构造 系统应提供对存储空间进展分配和回收的功能 常用的空闲空间管理方法包括：空闲表法、空闲链表法、位示图法及成组链接法空闲表法空闲表法 系统为外存一切空闲区建立一张空闲表，每个空闲区对应一个空闲表项。 空闲表包括：序号、该空闲区空闲盘块表空闲盘块表

10、序号序号第一空闲盘块号第一空闲盘块号空闲盘块数空闲盘块数12342493155空闲链表法空闲链表法 空闲链表法是将一切的空闲盘区拉成一条空闲链。 有两种链表方式：空闲盘块链和空闲盘区链空闲盘块链空闲盘块链 将空闲存储空间以盘块为根本单元拉成一条链表 优点是用于分配和回收一个盘块的过程非常简单 缺陷是空闲盘块链可以很长空闲盘区链空闲盘区链 将一切的空闲盘区(每个盘区包含假设干个盘块)拉成一条链。在每个盘区上隐含用于指示下一个盘区的指针外，还标有指明本盘区大小的信息 盘区分配方法采用初次顺应算法 该方法与空闲盘块链的优缺陷刚好相反，即分配和回收过程较复杂，但空闲盘区链较短。位示图法位示图法 位示图

11、是利用一位二进制数来表示磁盘中一个盘块的运用情况 当其值是0时，表示盘块空闲；为1时，表示盘块已分配。 由磁盘一切盘块所对应的位构成的集合，称为位示图。位示图位示图1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 00 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 11 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16123416Var map: array 1m, 1n成组链接法成组链接法 成组链接法结合了空闲表法和空闲链法的优点，而抑制了两种方法均有的表太长的缺陷，在UNIX中被采用。

12、空闲盘块的组织空闲盘块的组织 空闲盘块栈，用来存放可用的空闲盘块号和盘块数 一切空闲盘块被分成假设干组 将每组含有的盘块数和该组一切的盘块号记入前一组的第一盘块中磁盘容错技术磁盘容错技术 容错技术是经过在系统中设置冗余部件来提高系统可靠性的一种技术。 磁盘容错技术是经过添加冗余的磁盘驱动器、磁盘控制器等，来提高磁盘系统的可靠性。 磁盘容错技术通常也称为系统容错技术磁盘容错技术的级别磁盘容错技术的级别 SFT-是低级磁盘容错技术，主要用于防止磁盘外表发生缺陷所引起的数据丧失 SFT-是中级磁盘容错技术，主要用于防止磁盘驱动器和磁盘控制器缺陷所引起的系统不能正常义务 SFT-是高级系统容错技术第一

13、级容错技术第一级容错技术 第一级容错技术SFT-是最早出现的、也是最根本的一种磁盘容错技术。它包含双份目录、双份文件分配表及写后校验等措施。双份目录和双份文件分配表双份目录和双份文件分配表 在不同的磁盘或磁盘的不同区域中，分别建立两份目录表和FAT。 一份称为主目录及主FAT；另一份称为备份目录及备份FAT。 一旦磁盘外表缺陷而呵斥损坏时，系统启用备份文件目录及备份FAT，从而保证磁盘上的数据仍是可访问的，并将损坏区写入坏块表中。热修复重定向热修复重定向 系统将一定的磁盘容量作为热修复重定向区，用于存放当前盘块有缺陷时的代写数据 对写入该区的一切数据进展登记，以便于以后对数据进展访问。写后读校

14、验方式写后读校验方式 为保证数据都能写入完好的盘块中，每次写入一个数据块后，应立刻从磁盘上读出送入另一缓冲区，再将该缓冲区与内存中仍保管的数据进展比较。 假设两者相等，那么此次写入胜利；否那么，重写。 假设重写后两者仍不一致，那么表示该盘块有缺陷。第二级容错技术第二级容错技术 SFT-只能用于防止由磁盘外表部分缺陷呵斥的数据丧失。但假设磁盘驱动器发生缺陷，那么SFT-便无能为力。为防止数据丧失，增设了磁盘镜像功能。磁盘镜像表示图磁盘镜像表示图主机主机磁盘控制器磁盘控制器通道通道磁盘驱动器磁盘驱动器磁盘双工磁盘双工 磁盘双工是指两台磁盘驱动器分别接到两个磁盘控制器上，同样地使这两台磁盘机镜像成对

15、。 文件效能器同时将数据写到两个处于不同控制器下的磁盘上，使两者有着完全一样的位像图。 读数据时，可采取分别搜索技术。磁盘双工表示图磁盘双工表示图主机主机通道通道磁盘驱动器磁盘驱动器磁磁 盘盘控制器控制器通道通道磁磁 盘盘控制器控制器廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列 廉价磁盘冗余阵列RAID是利用一台磁盘阵列控制器，来一致管理和控制一组磁盘驱动器，组成一个高度可靠的、快速的大容量磁盘系统。现曾经被广泛地运用于大、中型计算机系统和计算机网络中。并行交叉存取并行交叉存取 在该系统中，系统将每一盘块中的数据分为假设干个盘块数据，再把每一子盘块的数据分别存储到各个不同磁盘中的一样位置。 读取数据时，采

16、用并行传输方式，将各盘块的子盘块数据同时向内存传输，从而使传输时间大大减少。磁盘并行交叉存取方式磁盘并行交叉存取方式123NRAIDRAID的优点的优点 可靠性高 磁盘I/O速度高 性能/价钱比高后备系统后备系统 虽然磁盘系统的容量很大，但系统运转一段时间后，可以将磁盘装满。因此，每隔一定的时间，就将磁盘上的大部分数据，转储到后备系统中；而后备系统中的数据，需每隔一段时间重新进展拷贝，以防止由于自然要素使后备系统中的数据逐渐消逝。后备系统的类型后备系统的类型 磁带机 磁盘机 光盘机拷贝方法拷贝方法 完全转储法：定期将磁盘上的整个文件系统，拷贝到后备系统上。 增量转储法：在系统中应配置一张转储时间表，在其中记录下每个文件最后一次的转储时间。如何提高文件访问速度如何提高文件访问速度 改良文件的目录构造以及检索目录的方法，来减少对文件的查找时间 选择好的文件存储构造，以提高对文件的访问速度 提高磁盘I/O速度，以提高对数据的传送速度数据一致性控制数据一致性控制 当一个数据被分别存储到