操作系統(tǒng)第7章磁盤存儲器管理ppt課件

1、磁盤存儲器管理磁盤存儲器管理內容提要內容提要 磁盤I/O 外存分配方法 空閑存儲空間的管理 磁盤容錯技術 文件系統(tǒng)性能的改善 數據一致性磁盤存儲管理的主要義務磁盤存儲管理的主要義務 為文件分配必要的空間 合理組織文件存取方式 提高磁盤空間的利用率 提高對磁盤的I/O速度 采取必要的冗余措施，確保系統(tǒng)可靠性磁盤磁盤I/OI/O 幾乎一切可隨機存取的文件，都存放在磁盤上。磁盤I/O速度的高低，將直接影響到文件系統(tǒng)的性能。如何改善磁盤I/O的性能，稱為提高文件系統(tǒng)性能的關鍵。提高磁盤提高磁盤I/OI/O速度的主要途徑速度的主要途徑 選擇性能好的磁盤 采用好的磁盤調度算法 設置磁盤高速緩沖區(qū)磁盤數據組

2、織磁盤數據組織 面 磁道 扇區(qū) 每個扇區(qū)包括兩個字段：標識符字段和數據字段磁盤的分類磁盤的分類 固定頭磁盤 挪動頭磁盤磁盤訪問時間磁盤訪問時間 尋道時間Ts 旋轉延遲時間Tr 傳輸時間Tt 訪問時間Ta 可表示為：磁盤調度算法磁盤調度算法 先來先效能 最短尋道時間優(yōu)先 掃描算法 循環(huán)掃描算法先來先效能先來先效能FCFSFCFS 這是最簡單的磁盤調度算法 根據進程懇求訪問磁盤的先后次序進展調度 優(yōu)點是公平、簡單，且每個進程的要求都可得四處置 由于未對尋道進展優(yōu)化，致使平均尋道時間可以較長最短尋道時間優(yōu)先最短尋道時間優(yōu)先SSTFSSTF 該算法選擇這樣的進程，其要求訪問的磁道與當前磁頭所在的磁道間

3、隔最近。 該算法不能保證平均尋道時間最短。進程進程“饑餓景象饑餓景象 SSTF算法雖然獲得較好的尋道性能，但它可以導致某些進程“饑餓。假設只需有新進程到達，且其所要訪問的磁道與磁頭當前所在磁道的間隔較近，這種新進程的I/O懇求必被優(yōu)先滿足。SCANSCAN算法算法 SCAN算法不僅思索到欲訪問的磁道與當前磁道的間隔，更優(yōu)先思索的是磁頭的當前挪動方向。由于這種算法中磁頭挪動的規(guī)律類似電梯的運轉，又稱為電梯調度算法。循環(huán)掃描算法循環(huán)掃描算法CSCANCSCAN SCAN算法既能獲得較好的尋道時間，又能防止進程饑餓，故被廣泛運用。為防止訪問剛挪動過的磁道的進程被嚴重推遲，CSCAN算法規(guī)定磁頭單向挪

4、動。N-step-SCANN-step-SCAN算法算法 在SSTF、SCAN和CSCAN幾種調度算法中，都可以出現磁臂停留在某處不動的情況，稱為磁臂粘著。N步SCAN算法是將磁盤懇求隊列分成假設干個長度為N的子隊列，磁盤調度將按FCFS算法一次處置這些子隊列。每處置一個隊列時，又按SCAN算法，對一個隊列處置完后，又處置其它隊列，以防止粘著景象。FSCANFSCAN算法算法 FSCAN算法本質上是N步SCAN算法的簡化 它將磁盤懇求隊列分成兩個子隊列 一是當前一切懇求磁盤I/O進程構成的隊列，按SCAN算法進展處置 另一個隊列是新出現的進程隊列，將它們排入另一個等待處置的懇求隊列，新懇求都將

5、被推出到下一次掃描時處置分配外存空間的主要問題分配外存空間的主要問題 怎樣才干有效地利用外存空間 提高對文件的訪問速率常用的外存分配方法常用的外存分配方法 延續(xù)分配 鏈接分配 索引分配延續(xù)分配延續(xù)分配 FSCAN算法本質上是N步SCAN算法的簡化 它將磁盤懇求隊列分成兩個子隊列 一是當前一切懇求磁盤I/O進程構成的隊列，按SCAN算法進展處置 另一個隊列是新出現的進程隊列，將它們排入另一個等待處置的懇求隊列，新懇求都將被推出到下一次掃描時處置磁盤空間的延續(xù)分配磁盤空間的延續(xù)分配count01234567f8910111213141516171819tr202122232425262728293

6、031maillistfilestartlengthcounttrmaillistf0214319628642目錄目錄延續(xù)分配的主要優(yōu)點延續(xù)分配的主要優(yōu)點 順序訪問容易 順序訪問速度快延續(xù)分配的主要缺陷延續(xù)分配的主要缺陷 要求有延續(xù)的存儲空間 必需事先知道文件的長度鏈接分配鏈接分配 在采用鏈接分配方式時，可經過在每個盤塊上的鏈接指針，將同屬于一個文件的多個離散的盤塊鏈接成一個鏈表，由此構成的物理文件稱為鏈接文件 鏈接分配采取離散分配方式，從而消除了外部碎片 鏈接方式可分為：隱式鏈接和顯式鏈接兩種磁盤空間的延續(xù)分配磁盤空間的延續(xù)分配count01234567f891011121314151617

7、1819tr202122232425262728293031maillistfilestartendjeep925目錄目錄1625110-1隱式鏈接分配的主要問題隱式鏈接分配的主要問題 它只適于順序訪問，對隨機訪問是極其低效的 只經過鏈接指針來將一大批離散的盤塊鏈接起來，其可靠性較差 為提高檢索速度和減小指針所占用的存儲空間，可將幾個盤塊組成一個簇顯式鏈接顯式鏈接 這是把用于鏈接文件各物理塊的指針，顯式地存放在內存的一張鏈接表。該表在整個磁盤僅設置一張，該表稱為文件分配表FAT。MS-DOS及OS/2等操作系統(tǒng)都采用FAT。顯式鏈接構造顯式鏈接構造FCB2物理塊號物理塊號FAT01234504

8、51MS-DOSMS-DOS的文件物理構造的文件物理構造FCB A40FCB B9123456789FAT611105EOFEOF鏈接分配方式存在的問題鏈接分配方式存在的問題 不能支持高效地直接存取 FAT需占用較大的內存空間索引分配的引入索引分配的引入 為每個文件分配一個索引塊，記錄分配給該文件的一切盤塊號 索引分配方式支持直接訪問 索引分配方式的主要問題，是可以破費較多的外存空間 對較大文件而言，索引分配方式是優(yōu)于鏈接分配的；但對小文件而言，索引塊的利用率極低索引分配方法索引分配方法count01234567f8910111213141516171819202122232425262728

9、293031file塊序號塊序號jeep19目錄目錄19161102511119兩級索引分配兩級索引分配主索引主索引74036011253607401125105106254356357985第二級索引第二級索引985012105106254356357磁盤空間磁盤空間空閑存儲空間管理的引入空閑存儲空間管理的引入 系統(tǒng)應為分配存儲空間而設置相應的數據構造 系統(tǒng)應提供對存儲空間進展分配和回收的功能 常用的空閑空間管理方法包括：空閑表法、空閑鏈表法、位示圖法及成組鏈接法空閑表法空閑表法 系統(tǒng)為外存一切空閑區(qū)建立一張空閑表，每個空閑區(qū)對應一個空閑表項。 空閑表包括：序號、該空閑區(qū)空閑盤塊表空閑盤塊表

10、序號序號第一空閑盤塊號第一空閑盤塊號空閑盤塊數空閑盤塊數12342493155空閑鏈表法空閑鏈表法 空閑鏈表法是將一切的空閑盤區(qū)拉成一條空閑鏈。 有兩種鏈表方式：空閑盤塊鏈和空閑盤區(qū)鏈空閑盤塊鏈空閑盤塊鏈 將空閑存儲空間以盤塊為根本單元拉成一條鏈表 優(yōu)點是用于分配和回收一個盤塊的過程非常簡單 缺陷是空閑盤塊鏈可以很長空閑盤區(qū)鏈空閑盤區(qū)鏈 將一切的空閑盤區(qū)(每個盤區(qū)包含假設干個盤塊)拉成一條鏈。在每個盤區(qū)上隱含用于指示下一個盤區(qū)的指針外，還標有指明本盤區(qū)大小的信息 盤區(qū)分配方法采用初次順應算法 該方法與空閑盤塊鏈的優(yōu)缺陷剛好相反，即分配和回收過程較復雜，但空閑盤區(qū)鏈較短。位示圖法位示圖法 位示圖

11、是利用一位二進制數來表示磁盤中一個盤塊的運用情況 當其值是0時，表示盤塊空閑；為1時，表示盤塊已分配。 由磁盤一切盤塊所對應的位構成的集合，稱為位示圖。位示圖位示圖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成組鏈接法成組鏈接法 成組鏈接法結合了空閑表法和空閑鏈法的優(yōu)點，而抑制了兩種方法均有的表太長的缺陷，在UNIX中被采用。

12、空閑盤塊的組織空閑盤塊的組織 空閑盤塊棧，用來存放可用的空閑盤塊號和盤塊數 一切空閑盤塊被分成假設干組 將每組含有的盤塊數和該組一切的盤塊號記入前一組的第一盤塊中磁盤容錯技術磁盤容錯技術 容錯技術是經過在系統(tǒng)中設置冗余部件來提高系統(tǒng)可靠性的一種技術。 磁盤容錯技術是經過添加冗余的磁盤驅動器、磁盤控制器等，來提高磁盤系統(tǒng)的可靠性。 磁盤容錯技術通常也稱為系統(tǒng)容錯技術磁盤容錯技術的級別磁盤容錯技術的級別 SFT-是低級磁盤容錯技術，主要用于防止磁盤外表發(fā)生缺陷所引起的數據喪失 SFT-是中級磁盤容錯技術，主要用于防止磁盤驅動器和磁盤控制器缺陷所引起的系統(tǒng)不能正常義務 SFT-是高級系統(tǒng)容錯技術第一

13、級容錯技術第一級容錯技術 第一級容錯技術SFT-是最早出現的、也是最根本的一種磁盤容錯技術。它包含雙份目錄、雙份文件分配表及寫后校驗等措施。雙份目錄和雙份文件分配表雙份目錄和雙份文件分配表 在不同的磁盤或磁盤的不同區(qū)域中，分別建立兩份目錄表和FAT。 一份稱為主目錄及主FAT；另一份稱為備份目錄及備份FAT。 一旦磁盤外表缺陷而呵斥損壞時，系統(tǒng)啟用備份文件目錄及備份FAT，從而保證磁盤上的數據仍是可訪問的，并將損壞區(qū)寫入壞塊表中。熱修復重定向熱修復重定向 系統(tǒng)將一定的磁盤容量作為熱修復重定向區(qū)，用于存放當前盤塊有缺陷時的代寫數據 對寫入該區(qū)的一切數據進展登記，以便于以后對數據進展訪問。寫后讀校

14、驗方式寫后讀校驗方式 為保證數據都能寫入完好的盤塊中，每次寫入一個數據塊后，應立刻從磁盤上讀出送入另一緩沖區(qū)，再將該緩沖區(qū)與內存中仍保管的數據進展比較。 假設兩者相等，那么此次寫入勝利；否那么，重寫。 假設重寫后兩者仍不一致，那么表示該盤塊有缺陷。第二級容錯技術第二級容錯技術 SFT-只能用于防止由磁盤外表部分缺陷呵斥的數據喪失。但假設磁盤驅動器發(fā)生缺陷，那么SFT-便無能為力。為防止數據喪失，增設了磁盤鏡像功能。磁盤鏡像表示圖磁盤鏡像表示圖主機主機磁盤控制器磁盤控制器通道通道磁盤驅動器磁盤驅動器磁盤雙工磁盤雙工 磁盤雙工是指兩臺磁盤驅動器分別接到兩個磁盤控制器上，同樣地使這兩臺磁盤機鏡像成對

15、。 文件效能器同時將數據寫到兩個處于不同控制器下的磁盤上，使兩者有著完全一樣的位像圖。 讀數據時，可采取分別搜索技術。磁盤雙工表示圖磁盤雙工表示圖主機主機通道通道磁盤驅動器磁盤驅動器磁磁 盤盤控制器控制器通道通道磁磁 盤盤控制器控制器廉價磁盤冗余陣列廉價磁盤冗余陣列 廉價磁盤冗余陣列RAID是利用一臺磁盤陣列控制器，來一致管理和控制一組磁盤驅動器，組成一個高度可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)?，F曾經被廣泛地運用于大、中型計算機系統(tǒng)和計算機網絡中。并行交叉存取并行交叉存取 在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)將每一盤塊中的數據分為假設干個盤塊數據，再把每一子盤塊的數據分別存儲到各個不同磁盤中的一樣位置。 讀取數據時，采

16、用并行傳輸方式，將各盤塊的子盤塊數據同時向內存?zhèn)鬏?，從而使傳輸時間大大減少。磁盤并行交叉存取方式磁盤并行交叉存取方式123NRAIDRAID的優(yōu)點的優(yōu)點 可靠性高 磁盤I/O速度高 性能/價錢比高后備系統(tǒng)后備系統(tǒng) 雖然磁盤系統(tǒng)的容量很大，但系統(tǒng)運轉一段時間后，可以將磁盤裝滿。因此，每隔一定的時間，就將磁盤上的大部分數據，轉儲到后備系統(tǒng)中；而后備系統(tǒng)中的數據，需每隔一段時間重新進展拷貝，以防止由于自然要素使后備系統(tǒng)中的數據逐漸消逝。后備系統(tǒng)的類型后備系統(tǒng)的類型 磁帶機 磁盤機 光盤機拷貝方法拷貝方法 完全轉儲法：定期將磁盤上的整個文件系統(tǒng)，拷貝到后備系統(tǒng)上。 增量轉儲法：在系統(tǒng)中應配置一張轉儲時間表，在其中記錄下每個文件最后一次的轉儲時間。如何提高文件訪問速度如何提高文件訪問速度 改良文件的目錄構造以及檢索目錄的方法，來減少對文件的查找時間 選擇好的文件存儲構造，以提高對文件的訪問速度 提高磁盤I/O速度，以提高對數據的傳送速度數據一致性控制數據一致性控制 當一個數據被分別存儲到