前言

• 操作系统对文件管理中需要对磁盘块进行管理。这其中包含对空闲磁盘块和非空闲磁盘块的管理
  • 对空闲磁盘块的管理涉及文件存储空间的管理。
  • 对非空闲磁盘块的管理涉及文件的物理结构/文件的分配方式。

1. 文件存储空间管理

1.1 存储空间的划分与初始化

• 存储空间的划分：将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘）
• 存储空间的初始化：将各个文件卷划分为目录区、文件区。
  

1.2 空闲磁盘块的空间管理方法

• 为了提高为文件分配空闲空间的效率，我们需要通过空闲空间管理来维护好现有的空闲空间，避免每次为文件分配空间时去扫描整个磁盘。

1.2.1 空闲表法

• 空闲表法就是为所有的空闲空间建立一张表，表中的内容包括空闲区的第一个块号和该空闲区的个数。
• 请求分配磁盘空间时，需要扫描空闲表里的内容，直到找到一个合适的空闲区域为止。当用户删除一个文件时，系统也需要回收空间，也需要扫描空闲表，寻找一个空闲表条目并将第一个物理块号和它占用的块数填到这个条目中。
• 该方法不适合管理有着大量小空闲区的磁盘，因为这样整个表会很大，扫描效率会很低。
  

1.2.2 空闲链表法

• 每一个空闲块里有一个指针指向下一个空闲块，这样只需要在系统中维护一个指针（令他指向第一个空闲块），便可以找到所有的空闲块，结构简单，但是不能随机访问，工作效率低，同时数据块的指针消耗了一定的存储空间。
  

1.2.3 位图法

• 位图就是利用二进制的每一位来表示磁盘中一个块的使用情况，磁盘上所有的块都有一个二进制位与之对应。
• 当值为0时，表示块空闲，值为1时，块已分配
• Linux操作系统中就采用了位图的方式来管理空闲空间

2. 磁盘调度

2.1 影响读写磁盘的时间因素

• 寻道时间：磁头移动到指定磁道所需时间。
• 旋转延迟时间：等待指定扇区到达磁头下的旋转时间。
• 数据传输时间：数据在磁盘与内存之间的传输时间。

2.2 什么是磁盘调度？

• 当多个磁盘I/O请求到来时，磁盘驱动程序需要安排I/O请求的处理顺序，这称为磁盘调度或移臂调度。

2.3 磁盘调度算法

• 例：假如系统先后到来对柱面12，80，5，60，95，20，86，35，72，55的访问请求
  

2.3.1 先来先服务算法（FCFS）

• 先来先服务算法根据磁道访问请求到来的先后顺序完成请求。

• 分析：
  • 柱面访问序列：12，80，5，60，95，20，86，35，72，55
  • 磁头总共移动：80-12+80-5+95-5+95-20+86-20+86-35+72-35+72-55=479个磁道距离
  • 响应一个请求平均需要移动：479/10=47.9个磁道（平均寻找长度）
• 优点：
  • 公平，简单；
  • 如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能很好；
• 缺点：
  • 很难优化寻道时间；
  • 如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间很长。

2.3.2 最短寻道时间优先算法（SSTF）

• 最短寻道时间优先算法总是优先满足距离磁头当前位置最近的访问请求。

• 分析：
  • 柱面访问序列：60，55，72，80，86，95，35，20，12，5
  • 磁头总共移动：60-55+95-55+95-5=135个磁道距离
  • 响应一个请求平均需要移动：135/10=13.5个磁道（平均寻找长度）
• 优点：
  • 性能较好，平均寻道时间短；
• 缺点：
  • 可能产生“饥饿”现象。

2.3.3 电梯调度算法（扫描算法SCAN）

• SSTF算法会产生饥饿的原因在于：磁头有可能在一个小区域内来回来去地移动。
• 为了防止这个问题，可以规定，只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这就是扫描算法(SCAN)的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法。

• 分析：
  • 柱面访问序列：60，72，80，86，95，55，35，20，12，5
  • 磁头总共移动：95-60+95-5=125个磁道距离
  • 响应一个请求平均需要移动：125/10=12.5个磁道（平均寻找长度）
• 优点：
  • 性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象。
• 缺点：
  • 只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向；
  • SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均
    • 如：假设此时磁头正在往右移动，且刚处理过55号磁道，那么下次处理55号磁道的请求就需要等磁头移动很长一段距离；而响应了95号磁道的请求之后，很快又可以再次响应95号磁道的请求了

2.3.4 循环扫描算法（C-SCAN）

• 磁头仅在一个移动方向上提供访问服务
• 磁臂从磁盘开始端柱面至结束端柱面移动的过程中依次处理途经请求，然后，直接返回开始端柱面重复进行，归途中并不响应请求。开始端与结束端柱面构成了一个循环。

• 分析：
  • 柱面访问序列：60，72，80，86，95，100，0，5，12，20，35，55
  • 磁头总共移动：100-60+55-0=95个磁道距离
  • 响应一个请求平均需要移动：95/10=9.5个磁道（平均寻找长度）
• 优点：
  • 比起SCAN来，对于各个位置磁道的响应频率很平均。
• 缺点：
  • 只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向；并且，磁头返回时其实只需要返回到5号磁道即可，不需要返回到最边缘的磁道。

3. 硬链接和软链接

• 硬链接：
  • 以⽂件副本的形式存在，指向同⼀个索引节点
  • 索引节点中有链接计数 count，count=0时真正删除⽂件和索引节点
  • 不能跨文件系统
• 软链接（快捷方式）：
  • 数据块中存放的内容是另⼀⽂件的路径名的指向
  • 根据路径查找共享⽂件，即使源⽂件已经被删除，还是会去查找但结果会显示查找失败
  • 查询多级⽬录，多次I/O操作，软链接更慢
  • 可以跨文件系统
• 共同点：都不会将原本的档案复制⼀份，只会占⽤⾮常少量的磁盘空间

4. 一次I/O在什么量级

• 毫秒量级