磁盤存儲管理技術(shù)教程

1、磁盤存儲管理技術(shù)教程磁盤存儲管理技術(shù)教程 教學(xué)提示：教學(xué)提示：由于磁盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中文件的主要載體，因此本由于磁盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中文件的主要載體，因此本章介紹的內(nèi)容與文件管理章節(jié)中的內(nèi)容密切相關(guān)，我們在學(xué)習(xí)章介紹的內(nèi)容與文件管理章節(jié)中的內(nèi)容密切相關(guān)，我們在學(xué)習(xí)的過程中，要注意將這兩部分內(nèi)容融會貫通。的過程中，要注意將這兩部分內(nèi)容融會貫通。教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：本章主要介紹了磁盤存儲器的概念、驅(qū)動調(diào)度算法本章主要介紹了磁盤存儲器的概念、驅(qū)動調(diào)度算法及磁盤空間管理等內(nèi)容。及磁盤空間管理等內(nèi)容。 第第3 3頁頁7.1 磁盤存儲器概述磁盤存儲器概述磁盤存儲器是最常用的一種輔助存儲器，用于存放當(dāng)磁盤存儲器是

2、最常用的一種輔助存儲器，用于存放當(dāng)前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機(jī)成批前不需要立即使用的信息，一旦需要，再和主機(jī)成批交換數(shù)據(jù)，它是主存儲器的后備。磁盤存儲器的最大交換數(shù)據(jù)，它是主存儲器的后備。磁盤存儲器的最大特點(diǎn)是存儲容量大、可靠性高、價(jià)格低。特點(diǎn)是存儲容量大、可靠性高、價(jià)格低。磁盤存儲器是將磁性材料涂敷在很薄的塑膠片或非磁磁盤存儲器是將磁性材料涂敷在很薄的塑膠片或非磁性金屬物質(zhì)表面而形成的。磁層的厚度為性金屬物質(zhì)表面而形成的。磁層的厚度為1 155m m。該磁層就是記錄數(shù)據(jù)的介質(zhì)，它是存儲信息的基礎(chǔ)，該磁層就是記錄數(shù)據(jù)的介質(zhì)，它是存儲信息的基礎(chǔ)，通過磁頭將電脈沖表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換

3、成磁記錄介通過磁頭將電脈沖表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成磁記錄介質(zhì)上的不同剩磁狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)信息的寫入。而介質(zhì)上的質(zhì)上的不同剩磁狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)信息的寫入。而介質(zhì)上的磁化單元信息又可通過磁頭轉(zhuǎn)換成電脈沖，以實(shí)現(xiàn)信磁化單元信息又可通過磁頭轉(zhuǎn)換成電脈沖，以實(shí)現(xiàn)信息的讀出。磁盤分為軟盤和硬盤兩種。息的讀出。磁盤分為軟盤和硬盤兩種。磁盤的存儲容量分為非格式化容量和格式化容量兩種。非格式化磁盤的存儲容量分為非格式化容量和格式化容量兩種。非格式化容量取決于盤片本身磁介質(zhì)所允許的記錄密度，格式化容量取容量取決于盤片本身磁介質(zhì)所允許的記錄密度，格式化容量取決于操作系統(tǒng)如何為磁盤劃分磁道和扇區(qū)。我們一般所說的存決于操作系統(tǒng)如何為

4、磁盤劃分磁道和扇區(qū)。我們一般所說的存儲容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。儲容量指的是格式化容量，它一般低于非格式化容量。磁盤的非格式化容量為磁盤的非格式化容量為CnCn=w=w3.143.14d dm mn n，其中，其中w w為位密度，為位密度，d d為最內(nèi)圈直徑為最內(nèi)圈直徑(200mm)(200mm)，m m為記錄面數(shù)，為記錄面數(shù)，n n為每面磁道數(shù)。為每面磁道數(shù)。磁盤格式化后的存儲容量磁盤格式化后的存儲容量=n=nt ts sb b，其中，其中n n為保存數(shù)據(jù)的總盤為保存數(shù)據(jù)的總盤面數(shù)，面數(shù)，t t為每面磁道數(shù)，為每面磁道數(shù)，s s為每道的扇區(qū)數(shù)，為每道的扇區(qū)數(shù)，b b為每個(gè)

5、扇區(qū)存儲為每個(gè)扇區(qū)存儲的字節(jié)數(shù)。的字節(jié)數(shù)。7.1.1 7.1.1 軟盤的組織結(jié)構(gòu)軟盤的組織結(jié)構(gòu) 磁盤的存取時(shí)間磁盤的存取時(shí)間( (訪問時(shí)間訪問時(shí)間)=)=尋道時(shí)間尋道時(shí)間 + + 等待時(shí)間。等待時(shí)間。尋道時(shí)間為磁頭移動到目標(biāo)磁道所需的時(shí)間，我們尋道時(shí)間為磁頭移動到目標(biāo)磁道所需的時(shí)間，我們可以通過降低磁盤的平均尋道時(shí)間來降低訪問時(shí)間；可以通過降低磁盤的平均尋道時(shí)間來降低訪問時(shí)間；等待時(shí)間等待時(shí)間( (又稱旋轉(zhuǎn)時(shí)間又稱旋轉(zhuǎn)時(shí)間) )為等待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到為等待讀寫的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下方所用的時(shí)間。磁盤的存取時(shí)間一般選用磁磁頭下方所用的時(shí)間。磁盤的存取時(shí)間一般選用磁道旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的一半作為平均等待

6、時(shí)間。道旋轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的一半作為平均等待時(shí)間。磁盤的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時(shí)間磁盤的數(shù)據(jù)傳輸速率是指磁頭找到地址后，單位時(shí)間寫入或讀出的字節(jié)數(shù)寫入或讀出的字節(jié)數(shù)( (即即 TB/TTB/T，TBTB為一個(gè)磁道上記為一個(gè)磁道上記錄的字節(jié)數(shù)，錄的字節(jié)數(shù)，T T為磁道每轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間為磁道每轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間) )。7.1.1 7.1.1 軟盤的組織結(jié)構(gòu)軟盤的組織結(jié)構(gòu) 7.1.2 7.1.2 硬盤硬盤 硬盤是將若干盤片疊起來固定在一起，繞著同一個(gè)軸硬盤是將若干盤片疊起來固定在一起，繞著同一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)。19681968年，年，IBMIBM公司首次提出名為公司首次提出名為“溫徹斯特溫

7、徹斯特(Winchester)(Winchester)”的技術(shù)，的技術(shù)，“溫徹斯特溫徹斯特”技術(shù)的精髓技術(shù)的精髓是是“密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤密封、固定并高速旋轉(zhuǎn)的鍍磁盤片，磁頭沿盤片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而片徑向移動，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸不與盤片直接接觸”。這就是現(xiàn)代硬盤的原型。這就是現(xiàn)代硬盤的原型。在在 2020 世紀(jì)世紀(jì) 8080 年代末，年代末，IBMIBM 公司又相繼研發(fā)了公司又相繼研發(fā)了MR(Magneto ResistiveMR(Magneto Resistive磁阻磁阻) )磁頭和磁頭和GMR(GMR(巨磁阻巨磁阻)

8、 )磁磁頭，使得盤片的存儲密度大幅度提高，從而帶動了頭，使得盤片的存儲密度大幅度提高，從而帶動了整塊硬盤容量的增大。整塊硬盤容量的增大。7.2 7.2 驅(qū)動調(diào)度算法驅(qū)動調(diào)度算法 由于輔存設(shè)備都包含速度相對較慢的機(jī)械由于輔存設(shè)備都包含速度相對較慢的機(jī)械設(shè)備，頻繁地機(jī)械訪問操作將會影響操作系設(shè)備，頻繁地機(jī)械訪問操作將會影響操作系統(tǒng)的執(zhí)行性能。就磁盤而言，追求的就是有統(tǒng)的執(zhí)行性能。就磁盤而言，追求的就是有較短的存取時(shí)間較短的存取時(shí)間(訪問時(shí)間訪問時(shí)間)和較高的數(shù)據(jù)傳和較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而磁盤調(diào)度是降低磁盤平均訪問時(shí)輸速率，而磁盤調(diào)度是降低磁盤平均訪問時(shí)間最有效的方法。因此如何有效地對磁盤調(diào)間最有效

9、的方法。因此如何有效地對磁盤調(diào)度，是操作系統(tǒng)必須考慮的主要因素之一。度，是操作系統(tǒng)必須考慮的主要因素之一。下面介紹幾種驅(qū)動調(diào)度算法。下面介紹幾種驅(qū)動調(diào)度算法。 7.2.1 循環(huán)排序循環(huán)排序?qū)πD(zhuǎn)型的外設(shè)，記錄具有循環(huán)的特點(diǎn)。當(dāng)某一請求序列來到對旋轉(zhuǎn)型的外設(shè)，記錄具有循環(huán)的特點(diǎn)。當(dāng)某一請求序列來到時(shí)，進(jìn)行某種排序具有非常的意義。時(shí)，進(jìn)行某種排序具有非常的意義?！纠纠?有一磁盤轉(zhuǎn)速為有一磁盤轉(zhuǎn)速為20ms/轉(zhuǎn)，每一個(gè)磁道保存轉(zhuǎn)，每一個(gè)磁道保存5個(gè)記錄，如個(gè)記錄，如果收到以下果收到以下4個(gè)個(gè)I/O請求，并且在一條到該設(shè)備的可用通路，請請求，并且在一條到該設(shè)備的可用通路，請分析請求序列為分析請求序

10、列為4321時(shí)，采用下列哪一些響應(yīng)序列速度最快？時(shí)，采用下列哪一些響應(yīng)序列速度最快？(假設(shè)定位時(shí)間為假設(shè)定位時(shí)間為10ms，讀出記錄時(shí)間為，讀出記錄時(shí)間為5ms，且當(dāng)前記錄為，且當(dāng)前記錄為3)(1) 4 3 2 1。(2) 1 2 3 4。(3) 4 1 2 3。實(shí)現(xiàn)這種算法需要一個(gè)位置測定裝置，然后再安排合適的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)這種算法需要一個(gè)位置測定裝置，然后再安排合適的響應(yīng)序列，才能達(dá)到較快的速度。序列，才能達(dá)到較快的速度。 7.2.2 優(yōu)化分布優(yōu)化分布信息在存儲空間的排列方式也會影響存取等待。信息在存儲空間的排列方式也會影響存取等待。【例【例】 假設(shè)有假設(shè)有10個(gè)邏輯記錄個(gè)邏輯記錄A、B、C、D

11、、J被存于旋被存于旋轉(zhuǎn)型設(shè)備上，每道存放轉(zhuǎn)型設(shè)備上，每道存放10個(gè)記錄，如果經(jīng)常順序處理這些個(gè)記錄，如果經(jīng)常順序處理這些記錄，旋轉(zhuǎn)速度為記錄，旋轉(zhuǎn)速度為 20ms，處理程序讀出每個(gè)記錄后花，處理程序讀出每個(gè)記錄后花 4ms進(jìn)行處理，試分析下列兩種排序下處理完進(jìn)行處理，試分析下列兩種排序下處理完10個(gè)記錄的總時(shí)個(gè)記錄的總時(shí)間。間。(1) A B C D E F G H I J (2) A H E B I F C J G D 7.2.3 交替地址交替地址把每一個(gè)記錄重復(fù)記錄在這臺設(shè)備的多個(gè)區(qū)域，可以顯著減少存把每一個(gè)記錄重復(fù)記錄在這臺設(shè)備的多個(gè)區(qū)域，可以顯著減少存取時(shí)間，這樣讀相同的數(shù)據(jù)記錄，就有

12、幾個(gè)交替地址，這種方法取時(shí)間，這樣讀相同的數(shù)據(jù)記錄，就有幾個(gè)交替地址，這種方法也被稱為多重副本或折迭。也被稱為多重副本或折迭?！纠纠?若每道有若每道有8個(gè)記錄，旋轉(zhuǎn)速度個(gè)記錄，旋轉(zhuǎn)速度20ms，如果記錄，如果記錄A存于存于1道道，記錄，記錄1，則存取記錄，則存取記錄A平均時(shí)間為半周，即平均時(shí)間為半周，即10ms；如果記錄；如果記錄A的副本存于的副本存于1道，記錄道，記錄1和和1道，記錄道，記錄5，則存取記錄，則存取記錄A平均時(shí)間降平均時(shí)間降為為5ms (存取時(shí)間拆半存取時(shí)間拆半)。這種技術(shù)要耗用較多的存儲空間。適用于反復(fù)讀取，不需修改的這種技術(shù)要耗用較多的存儲空間。適用于反復(fù)讀取，不需修改

13、的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 7.2.4 搜索定序搜索定序?qū)τ诖疟P設(shè)備，除了旋轉(zhuǎn)位置外，還有搜查定位的問題。輸對于磁盤設(shè)備，除了旋轉(zhuǎn)位置外，還有搜查定位的問題。輸入輸出請求需要入輸出請求需要3部分地址：柱面號、道號和記錄號。部分地址：柱面號、道號和記錄號。7.2.5 算法選擇算法選擇在眾多的磁盤調(diào)度算法中，要選擇一個(gè)最適合系統(tǒng)的算法在眾多的磁盤調(diào)度算法中，要選擇一個(gè)最適合系統(tǒng)的算法相當(dāng)困難。先來先服務(wù)算法確實(shí)能夠給予相當(dāng)?shù)墓叫?，相?dāng)困難。先來先服務(wù)算法確實(shí)能夠給予相當(dāng)?shù)墓叫?，但卻無法獲得較佳的效果。最短查找時(shí)間優(yōu)先算法算是一但卻無法獲得較佳的效果。最短查找時(shí)間優(yōu)先算法算是一般且普遍的算法。雙向掃描算法和

14、單向掃描算法適合負(fù)載般且普遍的算法。雙向掃描算法和單向掃描算法適合負(fù)載較大的情況，但實(shí)際上在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中并未被實(shí)現(xiàn)較大的情況，但實(shí)際上在大多數(shù)的操作系統(tǒng)中并未被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樾枰布闹С帧?，因?yàn)樾枰布闹С帧４送?，磁盤服務(wù)的要求也會受文件分配方式的影響。連續(xù)此外，磁盤服務(wù)的要求也會受文件分配方式的影響。連續(xù)分配將會產(chǎn)生許多鄰近塊的磁盤要求，而減少磁頭的移動分配將會產(chǎn)生許多鄰近塊的磁盤要求，而減少磁頭的移動；而鏈表或索引結(jié)構(gòu)，則可能會訪問包含幾個(gè)散布于磁盤；而鏈表或索引結(jié)構(gòu)，則可能會訪問包含幾個(gè)散布于磁盤各處的塊，這將會產(chǎn)生較多的磁頭移動。由此可見，由于各處的塊，這將會產(chǎn)生較多的磁頭移動。

15、由此可見，由于涉及諸多因素，使得我們很難評估各種算法的優(yōu)劣。涉及諸多因素，使得我們很難評估各種算法的優(yōu)劣。7.3 磁盤存儲空間管理磁盤存儲空間管理 為了實(shí)現(xiàn)能對外存空間的有效利用，并提高對文件的訪問效率為了實(shí)現(xiàn)能對外存空間的有效利用，并提高對文件的訪問效率，需要系統(tǒng)對外存中的空閑塊資源妥善管理。在大多數(shù)情況下，需要系統(tǒng)對外存中的空閑塊資源妥善管理。在大多數(shù)情況下，都是利用磁盤來存放文件。因此本節(jié)就基于磁盤文件介紹幾，都是利用磁盤來存放文件。因此本節(jié)就基于磁盤文件介紹幾種常用的磁盤空閑塊管理技術(shù)：空閑空間表法、空閑塊鏈接法種常用的磁盤空閑塊管理技術(shù)：空閑空間表法、空閑塊鏈接法、成組鏈接法及位示圖

16、法。、成組鏈接法及位示圖法。7.3.1 空閑空間表法空閑空間表法2. 空閑塊分配空閑塊分配在建立新文件時(shí)，要為它分配空間，為此，系統(tǒng)檢索空閑空間在建立新文件時(shí)，要為它分配空間，為此，系統(tǒng)檢索空閑空間表，尋找合適的表項(xiàng)。如果對應(yīng)空閑區(qū)的大小恰好等于所申請表，尋找合適的表項(xiàng)。如果對應(yīng)空閑區(qū)的大小恰好等于所申請值，就把該項(xiàng)從表中清除。如果該區(qū)大于所需數(shù)量，則把分配值，就把該項(xiàng)從表中清除。如果該區(qū)大于所需數(shù)量，則把分配后剩余的部分記錄在表中。常用的分配算法有以下幾種。后剩余的部分記錄在表中。常用的分配算法有以下幾種。(1) 優(yōu)先適應(yīng)算法。每次分配時(shí)，總是順序查找未分配表，找優(yōu)先適應(yīng)算法。每次分配時(shí)，總

17、是順序查找未分配表，找到第一個(gè)能滿足長度要求的空閑塊為止。到第一個(gè)能滿足長度要求的空閑塊為止。(2) 最佳適應(yīng)算法。從空閑區(qū)中挑選出一個(gè)能滿足作業(yè)要求的最佳適應(yīng)算法。從空閑區(qū)中挑選出一個(gè)能滿足作業(yè)要求的最小分區(qū)。容易造成剩下空閑區(qū)太小以致無法使用。最小分區(qū)。容易造成剩下空閑區(qū)太小以致無法使用。(3) 最壞適應(yīng)算法?？偸翘暨x一個(gè)最大的空閑區(qū)分割給作業(yè)使最壞適應(yīng)算法?？偸翘暨x一個(gè)最大的空閑區(qū)分割給作業(yè)使用。這種做法能保證剩下的空閑區(qū)不至于太小，對小作業(yè)有利用。這種做法能保證剩下的空閑區(qū)不至于太小，對小作業(yè)有利。3. 空閑塊回收空閑塊回收當(dāng)用戶刪除一個(gè)文件時(shí)，系統(tǒng)就回收該文件占用的塊，并把相當(dāng)用戶刪

18、除一個(gè)文件時(shí)，系統(tǒng)就回收該文件占用的塊，并把相應(yīng)的空閑塊信息填回到空閑空間表中。如果釋放的塊和原有空應(yīng)的空閑塊信息填回到空閑空間表中。如果釋放的塊和原有空閑塊相鄰，則把它們合并成一個(gè)大的空閑區(qū)，記在一個(gè)表項(xiàng)中閑塊相鄰，則把它們合并成一個(gè)大的空閑區(qū)，記在一個(gè)表項(xiàng)中。隨著文件不斷地被創(chuàng)建和被刪除，如同內(nèi)存動態(tài)分配一樣會產(chǎn)隨著文件不斷地被創(chuàng)建和被刪除，如同內(nèi)存動態(tài)分配一樣會產(chǎn)生碎片，這些碎片可以采用緊縮法進(jìn)行處理。生碎片，這些碎片可以采用緊縮法進(jìn)行處理。7.3.2 空閑塊鏈接法空閑塊鏈接法把所有的空閑塊連接在一起，系統(tǒng)保持有一個(gè)指針指向第一把所有的空閑塊連接在一起，系統(tǒng)保持有一個(gè)指針指向第一個(gè)自由塊，每一個(gè)自由塊包含指向下一個(gè)自由塊的指針。申個(gè)自由塊，每一個(gè)自由塊包含指向下一個(gè)自由塊的指針。申請一塊時(shí)，從鏈頭取一塊并修改系統(tǒng)指針。刪除時(shí)釋放占用請一塊時(shí)，從鏈頭取一塊并修改系統(tǒng)指針。刪除時(shí)釋放占用塊使其成為空閑并將它掛到空閑鏈頭上塊使其成為空閑并將它掛到空閑鏈頭上 7.3.3 空閑塊成組鏈接法空閑塊成組鏈接