操作系統(tǒng)第7章磁盤存儲(chǔ)器管理ppt課件

1、磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理內(nèi)容提要內(nèi)容提要 磁盤I/O 外存分配方法 空閑存儲(chǔ)空間的管理 磁盤容錯(cuò)技術(shù) 文件系統(tǒng)性能的改善 數(shù)據(jù)一致性磁盤存儲(chǔ)管理的主要義務(wù)磁盤存儲(chǔ)管理的主要義務(wù) 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(duì)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(jī)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(guān)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(diào)度算法 設(shè)置磁盤高速緩沖區(qū)磁盤數(shù)據(jù)組

2、織磁盤數(shù)據(jù)組織 面 磁道 扇區(qū) 每個(gè)扇區(qū)包括兩個(gè)字段：標(biāo)識(shí)符字段和數(shù)據(jù)字段磁盤的分類磁盤的分類 固定頭磁盤 挪動(dòng)頭磁盤磁盤訪問(wèn)時(shí)間磁盤訪問(wèn)時(shí)間 尋道時(shí)間Ts 旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr 傳輸時(shí)間Tt 訪問(wèn)時(shí)間Ta 可表示為：磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法 先來(lái)先效能 最短尋道時(shí)間優(yōu)先 掃描算法 循環(huán)掃描算法先來(lái)先效能先來(lái)先效能FCFSFCFS 這是最簡(jiǎn)單的磁盤調(diào)度算法 根據(jù)進(jìn)程懇求訪問(wèn)磁盤的先后次序進(jìn)展調(diào)度 優(yōu)點(diǎn)是公平、簡(jiǎn)單，且每個(gè)進(jìn)程的要求都可得四處置 由于未對(duì)尋道進(jìn)展優(yōu)化，致使平均尋道時(shí)間可以較長(zhǎng)最短尋道時(shí)間優(yōu)先最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTFSSTF 該算法選擇這樣的進(jìn)程，其要求訪問(wèn)的磁道與當(dāng)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(shí)間最短。進(jìn)程進(jìn)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(dǎo)致某些進(jìn)程“饑餓。假設(shè)只需有新進(jìn)程到達(dá)，且其所要訪問(wèn)的磁道與磁頭當(dāng)前所在磁道的間隔較近，這種新進(jìn)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(wèn)的磁道與當(dāng)前磁道的間隔，更優(yōu)先思索的是磁頭的當(dāng)前挪動(dòng)方向。由于這種算法中磁頭挪動(dòng)的規(guī)律類似電梯的運(yùn)轉(zhuǎn)，又稱為電梯調(diào)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(shí)間，又能防止進(jìn)程饑餓，故被廣泛運(yùn)用。為防止訪問(wèn)剛挪動(dòng)過(guò)的磁道的進(jìn)程被嚴(yán)重推遲，CSCAN算法規(guī)定磁頭單向挪

4、動(dòng)。N-step-SCANN-step-SCAN算法算法 在SSTF、SCAN和CSCAN幾種調(diào)度算法中，都可以出現(xiàn)磁臂停留在某處不動(dòng)的情況，稱為磁臂粘著。N步SCAN算法是將磁盤懇求隊(duì)列分成假設(shè)干個(gè)長(zhǎng)度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法一次處置這些子隊(duì)列。每處置一個(gè)隊(duì)列時(shí)，又按SCAN算法，對(duì)一個(gè)隊(duì)列處置完后，又處置其它隊(duì)列，以防止粘著景象。FSCANFSCAN算法算法 FSCAN算法本質(zhì)上是N步SCAN算法的簡(jiǎn)化 它將磁盤懇求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列 一是當(dāng)前一切懇求磁盤I/O進(jìn)程構(gòu)成的隊(duì)列，按SCAN算法進(jìn)展處置 另一個(gè)隊(duì)列是新出現(xiàn)的進(jìn)程隊(duì)列，將它們排入另一個(gè)等待處置的懇求隊(duì)列，新懇求都將

5、被推出到下一次掃描時(shí)處置分配外存空間的主要問(wèn)題分配外存空間的主要問(wèn)題 怎樣才干有效地利用外存空間 提高對(duì)文件的訪問(wèn)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(zhì)上是N步SCAN算法的簡(jiǎn)化 它將磁盤懇求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列 一是當(dāng)前一切懇求磁盤I/O進(jìn)程構(gòu)成的隊(duì)列，按SCAN算法進(jìn)展處置 另一個(gè)隊(duì)列是新出現(xiàn)的進(jìn)程隊(duì)列，將它們排入另一個(gè)等待處置的懇求隊(duì)列，新懇求都將被推出到下一次掃描時(shí)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(diǎn)延續(xù)分配的主要優(yōu)點(diǎn) 順序訪問(wèn)容易 順序訪問(wèn)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(chǔ)空間 必需事先知道文件的長(zhǎng)度鏈接分配鏈接分配 在采用鏈接分配方式時(shí)，可經(jīng)過(guò)在每個(gè)盤塊上的鏈接指針，將同屬于一個(gè)文件的多個(gè)離散的盤塊鏈接成一個(gè)鏈表，由此構(gòu)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(wèn)題隱式鏈接分配的主要問(wèn)題 它只適于順序訪問(wèn)，對(duì)隨機(jī)訪問(wèn)是極其低效的 只經(jīng)過(guò)鏈接指針來(lái)將一大批離散的盤塊鏈接起來(lái)，其可靠性較差 為提高檢索速度和減小指針?biāo)加玫拇鎯?chǔ)空間，可將幾個(gè)盤塊組成一個(gè)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(nèi)存的一張鏈接表。該表在整個(gè)磁盤僅設(shè)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(gòu)造顯式鏈接構(gòu)造FCB2物理塊號(hào)物理塊號(hào)FAT01234504

8、51MS-DOSMS-DOS的文件物理構(gòu)造的文件物理構(gòu)造FCB A40FCB B9123456789FAT611105EOFEOF鏈接分配方式存在的問(wèn)題鏈接分配方式存在的問(wèn)題 不能支持高效地直接存取 FAT需占用較大的內(nèi)存空間索引分配的引入索引分配的引入 為每個(gè)文件分配一個(gè)索引塊，記錄分配給該文件的一切盤塊號(hào) 索引分配方式支持直接訪問(wèn) 索引分配方式的主要問(wèn)題，是可以破費(fèi)較多的外存空間 對(duì)較大文件而言，索引分配方式是優(yōu)于鏈接分配的；但對(duì)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(hào)塊序號(hào)jeep19目錄目錄19161102511119兩級(jí)索引分配兩級(jí)索引分配主索引主索引74036011253607401125105106254356357985第二級(jí)索引第二級(jí)索引985012105106254356357磁盤空間磁盤空間空閑存儲(chǔ)空間管理的引入空閑存儲(chǔ)空間管理的引入 系統(tǒng)應(yīng)為分配存儲(chǔ)空間而設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)構(gòu)造 系統(tǒng)應(yīng)提供對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)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(gè)空閑區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)空閑表項(xiàng)。 空閑表包括：序號(hào)、該空閑區(qū)空閑盤塊表空閑盤塊表

10、序號(hào)序號(hào)第一空閑盤塊號(hào)第一空閑盤塊號(hào)空閑盤塊數(shù)空閑盤塊數(shù)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(chǔ)空間以盤塊為根本單元拉成一條鏈表 優(yōu)點(diǎn)是用于分配和回收一個(gè)盤塊的過(guò)程非常簡(jiǎn)單 缺陷是空閑盤塊鏈可以很長(zhǎng)空閑盤區(qū)鏈空閑盤區(qū)鏈 將一切的空閑盤區(qū)(每個(gè)盤區(qū)包含假設(shè)干個(gè)盤塊)拉成一條鏈。在每個(gè)盤區(qū)上隱含用于指示下一個(gè)盤區(qū)的指針外，還標(biāo)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(yīng)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(guò)程較復(fù)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(jìn)制數(shù)來(lái)表示磁盤中一個(gè)盤塊的運(yùn)用情況 當(dāng)其值是0時(shí)，表示盤塊空閑；為1時(shí)，表示盤塊已分配。 由磁盤一切盤塊所對(duì)應(yīng)的位構(gòu)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(jié)合了空閑表法和空閑鏈法的優(yōu)點(diǎn)，而抑制了兩種方法均有的表太長(zhǎng)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(lái)存放可用的空閑盤塊號(hào)和盤塊數(shù) 一切空閑盤塊被分成假設(shè)干組 將每組含有的盤塊數(shù)和該組一切的盤塊號(hào)記入前一組的第一盤塊中磁盤容錯(cuò)技術(shù)磁盤容錯(cuò)技術(shù) 容錯(cuò)技術(shù)是經(jīng)過(guò)在系統(tǒng)中設(shè)置冗余部件來(lái)提高系統(tǒng)可靠性的一種技術(shù)。 磁盤容錯(cuò)技術(shù)是經(jīng)過(guò)添加冗余的磁盤驅(qū)動(dòng)器、磁盤控制器等，來(lái)提高磁盤系統(tǒng)的可靠性。 磁盤容錯(cuò)技術(shù)通常也稱為系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)磁盤容錯(cuò)技術(shù)的級(jí)別磁盤容錯(cuò)技術(shù)的級(jí)別 SFT-是低級(jí)磁盤容錯(cuò)技術(shù)，主要用于防止磁盤外表發(fā)生缺陷所引起的數(shù)據(jù)喪失 SFT-是中級(jí)磁盤容錯(cuò)技術(shù)，主要用于防止磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤控制器缺陷所引起的系統(tǒng)不能正常義務(wù) SFT-是高級(jí)系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)第一

13、級(jí)容錯(cuò)技術(shù)第一級(jí)容錯(cuò)技術(shù) 第一級(jí)容錯(cuò)技術(shù)SFT-是最早出現(xiàn)的、也是最根本的一種磁盤容錯(cuò)技術(shù)。它包含雙份目錄、雙份文件分配表及寫(xiě)后校驗(yàn)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(shí)，系統(tǒng)啟用備份文件目錄及備份FAT，從而保證磁盤上的數(shù)據(jù)仍是可訪問(wèn)的，并將損壞區(qū)寫(xiě)入壞塊表中。熱修復(fù)重定向熱修復(fù)重定向 系統(tǒng)將一定的磁盤容量作為熱修復(fù)重定向區(qū)，用于存放當(dāng)前盤塊有缺陷時(shí)的代寫(xiě)數(shù)據(jù) 對(duì)寫(xiě)入該區(qū)的一切數(shù)據(jù)進(jìn)展登記，以便于以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展訪問(wèn)。寫(xiě)后讀校

14、驗(yàn)方式寫(xiě)后讀校驗(yàn)方式 為保證數(shù)據(jù)都能寫(xiě)入完好的盤塊中，每次寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)塊后，應(yīng)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(nèi)存中仍保管的數(shù)據(jù)進(jìn)展比較。 假設(shè)兩者相等，那么此次寫(xiě)入勝利；否那么，重寫(xiě)。 假設(shè)重寫(xiě)后兩者仍不一致，那么表示該盤塊有缺陷。第二級(jí)容錯(cuò)技術(shù)第二級(jí)容錯(cuò)技術(shù) SFT-只能用于防止由磁盤外表部分缺陷呵斥的數(shù)據(jù)喪失。但假設(shè)磁盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)生缺陷，那么SFT-便無(wú)能為力。為防止數(shù)據(jù)喪失，增設(shè)了磁盤鏡像功能。磁盤鏡像表示圖磁盤鏡像表示圖主機(jī)主機(jī)磁盤控制器磁盤控制器通道通道磁盤驅(qū)動(dòng)器磁盤驅(qū)動(dòng)器磁盤雙工磁盤雙工 磁盤雙工是指兩臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器分別接到兩個(gè)磁盤控制器上，同樣地使這兩臺(tái)磁盤機(jī)鏡像成對(duì)

15、。 文件效能器同時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)到兩個(gè)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(shù)據(jù)時(shí)，可采取分別搜索技術(shù)。磁盤雙工表示圖磁盤雙工表示圖主機(jī)主機(jī)通道通道磁盤驅(qū)動(dòng)器磁盤驅(qū)動(dòng)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(jià)磁盤冗余陣列廉價(jià)磁盤冗余陣列 廉價(jià)磁盤冗余陣列RAID是利用一臺(tái)磁盤陣列控制器，來(lái)一致管理和控制一組磁盤驅(qū)動(dòng)器，組成一個(gè)高度可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)?，F(xiàn)曾經(jīng)被廣泛地運(yùn)用于大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)分為假設(shè)干個(gè)盤塊數(shù)據(jù)，再把每一子盤塊的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)到各個(gè)不同磁盤中的一樣位置。 讀取數(shù)據(jù)時(shí)，采

16、用并行傳輸方式，將各盤塊的子盤塊數(shù)據(jù)同時(shí)向內(nèi)存?zhèn)鬏?，從而使傳輸時(shí)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(diǎn)的優(yōu)點(diǎn) 可靠性高 磁盤I/O速度高 性能/價(jià)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(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，可以將磁盤裝滿。因此，每隔一定的時(shí)間，就將磁盤上的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，轉(zhuǎn)儲(chǔ)到后備系統(tǒng)中；而后備系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，需每隔一段時(shí)間重新進(jìn)展拷貝，以防止由于自然要素使后備系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)逐漸消逝。后備系統(tǒng)的類型后備系統(tǒng)的類型 磁帶機(jī) 磁盤機(jī) 光盤機(jī)拷貝方法拷貝方法 完全轉(zhuǎn)儲(chǔ)法：定期將磁盤上的整個(gè)文件系統(tǒng)，拷貝到后備系統(tǒng)上。 增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)法：在系統(tǒng)中應(yīng)配置一張轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間表，在其中記錄下每個(gè)文件最后一次的轉(zhuǎn)儲(chǔ)時(shí)間。如何提高文件訪問(wèn)速度如何提高文件訪問(wèn)速度 改良文件的目錄構(gòu)造以及檢索目錄的方法，來(lái)減少對(duì)文件的查找時(shí)間 選擇好的文件存儲(chǔ)構(gòu)造，以提高對(duì)文件的訪問(wèn)速度 提高磁盤I/O速度，以提高對(duì)數(shù)據(jù)的傳送速度數(shù)據(jù)一致性控制數(shù)據(jù)一致性控制 當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)被分別存儲(chǔ)到