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1、操作系统磁盘存储器管理,1,磁盘存储器管理,操作系统磁盘存储器管理,2,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,操作系统磁盘存储器管理,3,磁盘存储管理的主要任务,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,操作系统磁盘存储器管理,4,磁盘I/O,几乎所有可随机存取的文件，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。,操作系统磁盘存储器管理,5,提高磁盘I/O速度的主要途径,选
2、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,操作系统磁盘存储器管理,6,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,操作系统磁盘存储器管理,7,磁盘的分类,固定头磁盘 移动头磁盘,操作系统磁盘存储器管理,8,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：,操作系统磁盘存储器管理,9,磁盘调度算法,先来先服务 最短寻道时间优先 扫描算法 循环扫描算法,操作系统磁盘存储器管理,10,先来先服务FCFS,这是最简单的磁盘调度算法 根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度 优点是公平、简单，且每个进程的要求都可得到处理 由
3、于未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长,操作系统磁盘存储器管理,11,最短寻道时间优先SSTF,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距离最近。 该算法不能保证平均寻道时间最短。,操作系统磁盘存储器管理,12,进程“饥饿”现象,SSTF算法虽然获得较好的寻道性能，但它可能导致某些进程“饥饿”。若只要有新进程到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必被优先满足。,操作系统磁盘存储器管理,13,SCAN算法,SCAN算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头的当前移动方向。由于这种算法中磁头移动的规律类似电梯的运行，
4、又称为电梯调度算法。,操作系统磁盘存储器管理,14,循环扫描算法CSCAN,SCAN算法既能获得较好的寻道时间，又能防止进程饥饿，故被广泛应用。为防止访问刚移动过的磁道的进程被严重推迟，CSCAN算法规定磁头单向移动。,操作系统磁盘存储器管理,15,N-step-SCAN算法,在SSTF、SCAN和CSCAN几种调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，称为磁臂粘着。N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法一次处理这些子队列。每处理一个队列时，又按SCAN算法，对一个队列处理完后，又处理其它队列，以避免粘着现象。,操作系统磁盘存储器管理,16,
5、FSCAN算法,FSCAN算法实质上是N步SCAN算法的简化 它将磁盘请求队列分成两个子队列 一是当前所有请求磁盘I/O进程形成的队列，按SCAN算法进行处理 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理的请求队列，新请求都将被推出到下一次扫描时处理,操作系统磁盘存储器管理,17,分配外存空间的主要问题,怎样才能有效地利用外存空间 提高对文件的访问速率,操作系统磁盘存储器管理,18,常用的外存分配方法,连续分配 链接分配 索引分配,操作系统磁盘存储器管理,19,连续分配,FSCAN算法实质上是N步SCAN算法的简化 它将磁盘请求队列分成两个子队列 一是当前所有请求磁盘I/O进程形成的
6、队列，按SCAN算法进行处理 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理的请求队列，新请求都将被推出到下一次扫描时处理,操作系统磁盘存储器管理,20,磁盘空间的连续分配,count,0,1,2,3,4,5,6,7,f,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,tr,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,mail,list,file,start,length,count,tr,mail,list,f,0,2,14,3,19,6,28,6,4,2,目录,操作系统磁盘存储器管理,21,连续分配的主要优点,顺序访问容易 顺序访问速
7、度快,操作系统磁盘存储器管理,22,连续分配的主要缺点,要求有连续的存储空间 必须事先知道文件的长度,操作系统磁盘存储器管理,23,链接分配,在采用链接分配方式时，可通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，由此形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,操作系统磁盘存储器管理,24,磁盘空间的连续分配,count,0,1,2,3,4,5,6,7,f,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,tr,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,3
8、1,mail,list,file,start,end,jeep,9,25,目录,16,25,1,10,-1,操作系统磁盘存储器管理,25,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 只通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,操作系统磁盘存储器管理,26,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。,操作系统磁盘存储器管理,27,显式链接结构,FCB,2,物理块号,F
9、AT,0,1,2,3,4,5,0,4,5,1,操作系统磁盘存储器管理,28,MS-DOS的文件物理结构,FCB A,4,0,FCB B,9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,FAT,6,11,10,5,EOF,EOF,操作系统磁盘存储器管理,29,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,操作系统磁盘存储器管理,30,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所有盘块号 索引分配方式支持直接访问 索引分配方式的主要问题，是可能花费较多的外存空间 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,操作系统磁盘存
10、储器管理,31,索引分配方法,count,0,1,2,3,4,5,6,7,f,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,file,块序号,jeep,19,目录,1,9,16,1,10,25,1,1,1,19,操作系统磁盘存储器管理,32,两级索引分配,主索引,740,360,1125,360,740,1125,105,106,254,356,357,985,第二级索引,985,0,1,2,105,106,254,356,357,磁盘空间,操作系统磁盘存储器管理,33,空闲存储空间管理的引入,系统应
11、为分配存储空间而设置相应的数据结构 系统应提供对存储空间进行分配和回收的功能 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,操作系统磁盘存储器管理,34,空闲表法,系统为外存所有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,操作系统磁盘存储器管理,35,空闲盘块表,序号,第一空闲盘块号,空闲盘块数,1,2,3,4,2,4,9,3,15,5,操作系统磁盘存储器管理,36,空闲链表法,空闲链表法是将所有的空闲盘区拉成一条空闲链。 有两种链表形式：空闲盘块链和空闲盘区链,操作系统磁盘存储器管理,37,空闲盘块链,将空闲存储空间以盘块为基本单
12、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 缺点是空闲盘块链可能很长,操作系统磁盘存储器管理,38,空闲盘区链,将所有的空闲盘区(每个盘区包含若干个盘块)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 盘区分配方法采用首次适应算法 该方法与空闲盘块链的优缺点刚好相反，即分配和回收过程较复杂，但空闲盘区链较短。,操作系统磁盘存储器管理,39,位示图法,位示图是利用一位二进制数来表示磁盘中一个盘块的使用情况 当其值是0时，表示盘块空闲；为1时，表示盘块已分配。 由磁盘所有盘块所对应的位构成的集合，称为位示图。,操作系统磁盘存储器管理,40,位示图
13、,1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0,0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1,1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16,1,2,3,4,16,Var map: array 1m, 1n,操作系统磁盘存储器管理,41,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，而克服了两种方法均有的表太长的缺点，在UNIX中被采用。,操作系统磁盘存储器管理,42,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 所有空闲盘块被分成若干组 将
14、每组含有的盘块数和该组所有的盘块号记入前一组的第一盘块中,操作系统磁盘存储器管理,43,磁盘容错技术,容错技术是通过在系统中设置冗余部件来提高系统可靠性的一种技术。 磁盘容错技术是通过增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,操作系统磁盘存储器管理,44,磁盘容错技术的级别,SFT-是低级磁盘容错技术，主要用于防止磁盘表面发生缺陷所引起的数据丢失 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故障所引起的系统不能正常工作 SFT-是高级系统容错技术,操作系统磁盘存储器管理,45,第一级容错技术,第一级容错技术SFT-是最早
15、出现的、也是最基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。,操作系统磁盘存储器管理,46,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。 一旦磁盘表面缺陷而造成损坏时，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。,操作系统磁盘存储器管理,47,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 对写入该区的所有数据进行登记，以便于以后对数据进行访问。,操作系统磁盘存储器管理,48,写
16、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，应立即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留的数据进行比较。 若两者相等，则此次写入成功；否则，重写。 若重写后两者仍不一致，则表示该盘块有缺陷。,操作系统磁盘存储器管理,49,第二级容错技术,SFT-只能用于防止由磁盘表面部分故障造成的数据丢失。但如果磁盘驱动器发生故障，则SFT-便无能为力。为避免数据丢失，增设了磁盘镜像功能。,操作系统磁盘存储器管理,50,磁盘镜像示意图,主机,磁盘控制器,通道,磁盘驱动器,操作系统磁盘存储器管理,51,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
17、这两台磁盘机镜像成对。 文件服务器同时将数据写到两个处于不同控制器下的磁盘上，使两者有着完全相同的位像图。 读数据时，可采取分离搜索技术。,操作系统磁盘存储器管理,52,磁盘双工示意图,主机,通道,磁盘驱动器,磁 盘控制器,通道,磁 盘控制器,操作系统磁盘存储器管理,53,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，来统一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。现已经被广泛地应用于大、中型计算机系统和计算机网络中。,操作系统磁盘存储器管理,54,并行交叉存取,在该系统中，系统将每一盘块中的数据分为若干个盘块数据，再把每一子盘块的数据分别存储到
18、各个不同磁盘中的相同位置。 读取数据时，采用并行传输方式，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。,操作系统磁盘存储器管理,55,磁盘并行交叉存取方式,1,2,3,N,操作系统磁盘存储器管理,56,RAID的优点,可靠性高 磁盘I/O速度高 性能/价格比高,操作系统磁盘存储器管理,57,后备系统,虽然磁盘系统的容量很大，但系统运行一段时间后，可能将磁盘装满。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行拷贝，以防止由于自然因素使后备系统中的数据逐渐消失。,操作系统磁盘存储器管理,58,后备系统的类型,磁带机 磁盘机
19、 光盘机,操作系统磁盘存储器管理,59,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。,操作系统磁盘存储器管理,60,如何提高文件访问速度,改进文件的目录结构以及检索目录的方法，来减少对文件的查找时间 选择好的文件存储结构，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,操作系统磁盘存储器管理,61,数据一致性控制,当一个数据被分别存储到多个文件中时，便会出现数据一致性问题。因此，在数据库系统中都配置了能保证数据一致性的软件，以及相应的硬件支持。,操作系统磁盘存储器管理,62,事务的定义,事务是用于访问和修改各种数据项的一个程序单位 事务可被看作是一系列的读写操作 当操作全部完成时，执行托付操作(commit operation)来终止事务 只要有一个操作失败，执行夭折操作(abort operation)。,操作系统磁盘存储器管理,63,事务记录,事务名 数据项名 旧值 新值,操作系统磁盘存储器管理,64,检查点,引入检查点的主要目的是使对事务记录表中事务记录的清理工作经常化，即每隔一定时间，便做一些输出和清理工作。,