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  • 文件存储空间的管理

    千次阅读 2018-09-27 20:43:17
    (存储空间分配的基本单位都是盘块而非字节)】因此,才有了【文件存储空间的管理】的概念。 【强调!文件存储空间管理的方法一定要和文件外存分配方式区分!】 【文件存储空间管理是对没有分配出去的空间进行管理...

    前言

    【要为新文件分配存储空间,系统必须以某种数据结构记住存储空间的使用情况。此外,系统应提供对存储空间进行分配和回收    的手段。(存储空间分配的基本单位都是盘块而非字节)】因此,才有了【文件存储空间的管理】的概念。

    强调文件存储空间管理的方法一定要和文件外存分配方式区分!】

    文件存储空间管理是对没有分配出去的空间进行管理】【文件外存分配方式是对分配给文件的空间进行分配的方法

    空闲表法

    空闲表法属于连续分配方式,它与内存的动态分配方式雷同,即系统也为外存上的所有空闲区建立一张空闲表,每个空闲区对应于一个空闲表项,其中包括表项序号、该空闲区的第一个盘块号、该区的空闲盘块数等信息。再将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。

     

    在内存分配上,虽然很少采用连续分配方式,然而在外存的管理中,由于这种分配方式具有较高的分配速度,可减少访问磁盘的I/O 频率,故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。

     

    空闲链表法

    ①空闲盘块链。这是将磁盘上的所有空闲空间,以盘块为单位拉成一条链。

    ②空闲盘区链。这是将磁盘上的所有空闲盘区(每个盘区可包含若干个盘块)拉成一条链。

     

    位示图法

    位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况。当其值为“0”时,表示对应的盘块空闲;为“1”时,表示已分配。有的系统把“0”作为盘块已分配的标志,把“1”作为空闲标志。磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应,这样,由所有盘块所对应的位构成一个集合,称为位示图。通常可用m × n 个位数来构成位示图,并使m × n等于磁盘的总块数,如图6-22 所示。

    盘块的分配

    顺序扫描位示图,找到一个或一组空盘块。 转换为对应的盘块号,公式:块号为b,第i行,第j列,则b=n*(i-1)+j,其中n 为每行的位数。 修改位示图。

    盘块的回收

    已知盘块号b,得对应的行列号,之后修改位示图对应位的值。 i=(b-1) DIV n + 1,j=(b-1) MOD n + 1

    成组链接法

    空闲表法和空闲链表法都不适用于大型文件系统,因为这会使空闲表或空闲链表太长。在UNIX 系统中采用的是成组链接法。

     

    空闲盘块的组织

    ①空闲盘块号栈(只有一个,每一组的第一个盘块的S.free、S.free(0)~S.free(99)记录了下一组的盘块总数N和下一组所有的盘块号)用来存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号(最多含100 个号),以及栈中尚有的空闲盘块号数N。顺便指出,N 还兼作栈顶指针用。例如,当N=100 时,它指向S.free(99)。由于栈是临界资源,每次只允许一个进程去访问,故系统为栈设置了一把锁。图6-23 左部示出了空闲盘块号栈的结构。其中,S.free(0)是栈底,栈满时的栈顶为S.free(99)。

    ②文件区中的所有空闲盘块被分成若干个组,比如,将每100 个盘块作为一组。假定盘上共有10000 个盘块,每块大小为1 KB,其中第201~7999 号盘块用于存放文件,即作为文件区,这样,该区的最末一组盘块号应为7901~7999;次末组为7801~7900……;第二组的盘块号为301~400;第一组为201~300,如图6-23右部所示。

    ③将每一组含有的盘块总数N 和该组所有的盘块号记入其前一组的第一个盘块的S.free(0)~S.free(99)中。这样,由各组的第一个盘块可链成一条链。

    ④将第一组的盘块总数和所有的盘块号记入空闲盘块号栈中,作为当前可供分配的空闲盘块号。

    ⑤最末一组只有99 个盘块,其盘块号分别记入其前一组的S.free(1) ~S.free(99)中,而在S.free(0)中则存放“0”,作为空闲盘块链的结束标志。(注:最后一组的盘块数应为99,不应是100,因为这是指可供使用的空闲盘块,其编号应为(1~99),0号中放空闲盘块链的结尾标志。)

    空闲盘块的分配与回收

    当系统要为用户分配文件所需的盘块时,须调用盘块分配过程来完成。该过程首先检查空闲盘块号栈是否上锁,如未上锁,便从栈顶取出一空闲盘块号,将与之对应的盘块分配给用户,然后将栈顶指针下移一格。若该盘块号已是栈底,即S.free(0),这是当前栈中最后一个可分配的盘块号。由于在该盘块号所对应的盘块中记有下一组可用的盘块号,因此,须调用磁盘读过程,将栈底盘块号所对应盘块的内容读入栈中,作为新的盘块号栈的内容,并把原栈底对应的盘块分配出去(其中的有用数据已读入栈中)。然后,再分配一相应的缓冲区(作为该盘块的缓冲区)。最后,把栈中的空闲盘块数减1 并返回。


    在系统回收空闲盘块时,须调用盘块回收过程进行回收。它是将回收盘块的盘块号记入空闲盘块号栈的顶部,并执行空闲盘块数加1 操作。当栈中空闲盘块号数目已达100 时,表示栈已满,便将现有栈中的100个盘块号记入新回收的盘块中,再将其盘块号作为新栈底。

    【例题】某小型文件系统采用成组链接法管理磁盘空间,每个盘块的大小为4KB。空闲盘块号栈中最多可存放6个空闲盘块号。栈底存放当前可用的空闲盘块数。图中给出了当前空闲盘块号栈的内容以及后续两组空闲盘块号。请问: 1)该文件系统当前有多少个空闲盘块?   2)用户A创建了一个新文件A,大小为43KB。画出为文件A分配空间后,图的变化结果。 3)之后用户B删除文件B,文件B占用的盘块号依次为51、52、53、54、55,画出系统回收文件B占用的空间后的进一步变化结果。

    解答:

    1)14

    2)

    3)

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  • 6.5文件存储空间的管理

    分配方法:联系分配和离散分配;

    存储空间的基本分配单位:磁盘块,而非字节(?每个都很小?)

    6.5.1空闲表法和空闲连表法;

    1.空闲表法;

    内存分配上,很少用。

    外存中,这种分配方法有较高的分配速度。

    文件小时,连续分配;文件大时,离散分配;

    2.空闲链表法;

    1)空闲盘块链

    2)空闲盘区链

     

    6.5.2位示图法:

     

    6.5.3成组链接法:

    1.空闲链接法:

    展开全文
  • 模拟UNIX系统的空闲块成组链接法,实现磁盘存储空间的管理
  • 1、在该实验中,采用可变分区方式完成对存储空间的管理(即存储空间的分配与回收工作)。 2、设计用来记录主存使用情况的数据结构:已分区表和空闲分区表。 3、在设计好的数据结构上设计一个主存分配算法,要求实现...

    实验4 内存管理
    一、实验目的
    1、对内存管理的相关内容做进一步的理解。
    2、了解内存管理的主要任务。
    3、了解内存管理任务的主要实现方法。
    4、通过编程加深理解内存的分配、回收等主要算法的原理。
    二、实验内容及要求
    1、在该实验中,采用可变分区方式完成对存储空间的管理(即存储空间的分配与回收工作)。
    2、设计用来记录主存使用情况的数据结构:已分区表和空闲分区表。
    3、在设计好的数据结构上设计一个主存分配算法,要求实现的基本功能操作有:寻找空闲分区,空闲分区表的修改,已分区表的修改。
    4、在设计好的数据结构上设计一个主存回收算法。其中,若回收的分区有上邻空闲分区和(或)下邻空闲分区,要求合并为一个空闲分区登记在空闲分区表的一个表项里。
    三、实验报告
    1、程序中使用的数据结构及符号说明。
    2、给出主要算法的流程图。
    3、给出测试数据和运行结果,要求系统每进行一次分配或回收,都要给出内存映像图或已分配表及未分配表以观察内存的变化。

    代码:

    // OS4.1.cpp : 此文件包含 "main" 函数。程序执行将在此处开始并结束。
    //
    #include<stdio.h>
    #include<stdlib.h>
    #define OK 1    //完成 
    #define ERROR 0 //出错
    typedef int Status;
    typedef struct free_table//定义一个空闲区说明表结构
    {
    	int num; //分区序号
    	long address; //起始地址
    	long length;//分区大小 
    	int state; //分区状态 
    }ElemType;
    typedef struct Node//线性表的双向链表存储结构
    {
    	ElemType data;
    	struct Node*prior;//前趋指针
    	struct Node *next;//后继指针
    }Node, *LinkList;
    LinkList first;//头结点
    LinkList end;//尾结点
    int flag;//记录要删除的分区序号
    
    
    Status Initblock()//开创带头结点的内存空间链表
    {
    	first = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    	end = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    	first->prior = NULL;
    	first->next = end;
    	end->prior = first;
    	end->next = NULL;
    	end->data.num = 1;
    	end->data.address = 40;
    	end->data.length = 600;
    	end->data.state = 0;
    	return OK;
    }
    
    void sort()//分区序号重新排序
    {
    	Node *p = first->next, *q;
    	q = p->next;
    	for (; p != NULL; p = p->next)
    	{
    		for (q = p->next; q; q = q->next)
    		{
    
    			if (p->data.num >= q->data.num)
    			{
    				q->data.num += 1;
    			}
    		}
    	}
    }//显示主存分配情况 
    void show()
    {
    	int flag = 0;//用来记录分区序号
    	Node *p = first;
    	p->data.num = 0;
    	p->data.address = 0;
    	p->data.length = 40;
    	p->data.state = 1;
    	sort();
    	printf("\n\t\t》主存空间分配情况《\n");
    	printf("**********************************************************\n\n");
    	printf("分区序号\t起始地址\t分区大小\t分区状态\n\n");
    	while (p)
    	{
    		printf("%d\t\t%d\t\t%d", p->data.num, p->data.address, p->data.length);
    		if (p->data.state == 0)
    			printf("\t\t空闲\n\n");
    		else
    			printf("\t\t已分配\n\n");
    		p = p->next;
    	}
    	printf("**********************************************************\n\n");
    }//首次适应算法
    Status First_fit(int request) {//为申请作业开辟新空间且初始化
    	Node *p = first->next;
    	LinkList temp = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    	temp->data.length = request;
    	temp->data.state = 1;
    	p->data.num = 1;
    	while (p)
    	{
    		if ((p->data.state == 0) && (p->data.length == request))
    		{//有大小恰好合适的空闲块
    			p->data.state = 1;
    			return OK;
    			break;
    		}
    		else if ((p->data.state == 0) && (p->data.length > request))
    		{//有空闲块能满足需求且有剩余
    			temp->prior = p->prior;
    			temp->next = p;
    			temp->data.address = p->data.address;
    			temp->data.num = p->data.num;
    			p->prior->next = temp;
    			p->prior = temp;
    			p->data.address = temp->data.address + temp->data.length;
    			p->data.length -= request;
    			p->data.num += 1;
    			return OK;
    			break;
    		}
    		p = p->next;
    	}
    	return ERROR;
    }//最佳适应算法
    Status Best_fit(int request)
    {
    	int ch;//记录最小剩余空间
    	Node *p = first;
    	Node *q = NULL;//记录最佳插入位置
    	LinkList temp = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    	temp->data.length = request;
    	temp->data.state = 1;
    	p->data.num = 1;
    	while (p)//初始化最小空间和最佳位置
    	{
    		if ((p->data.state == 0) && (p->data.length >= request))
    		{
    			if (q == NULL)
    			{
    				q = p;
    				ch = p->data.length - request;
    			}
    			else if (q->data.length > p->data.length)
    			{
    				q = p;
    				ch = p->data.length - request;
    			}
    		}
    		p = p->next;
    	}
    
    	if (q == NULL) return ERROR;
    	//没有找到空闲块
    	else if (q->data.length == request)
    	{
    		q->data.state = 1;
    		return OK;
    	}
    	else
    	{
    		temp->prior = q->prior;
    		temp->next = q;
    		temp->data.address = q->data.address;
    		temp->data.num = q->data.num;
    		q->prior->next = temp;
    		q->prior = temp;
    		q->data.address += request;
    		q->data.length = ch;
    		q->data.num += 1;
    		return OK;
    	}
    	return OK;
    }//最差适应算法
    Status Worst_fit(int request)
    {
    	int ch;//记录最大剩余空间
    	Node *p = first->next;
    	Node *q = NULL;//记录最佳插入位置
    	LinkList temp = (LinkList)malloc(sizeof(Node));
    	temp->data.length = request;
    	temp->data.state = 1;
    	p->data.num = 1;
    	while (p)//初始化最大空间和最佳位置
    	{
    		if (p->data.state == 0 && (p->data.length >= request))
    		{
    			if (q == NULL)
    			{
    				q = p;
    				ch = p->data.length - request;
    			}
    			else if (q->data.length < p->data.length)
    			{
    				q = p;
    				ch = p->data.length - request;
    			}
    		}
    		p = p->next;
    	}
    	if (q == NULL) return ERROR;//没有找到空闲块
    	else if (q->data.length == request)
    	{
    		q->data.length = 1;
    		return OK;
    	}
    	else
    	{
    		temp->prior = q->prior;
    		temp->next = q;
    		temp->data.address = q->data.address;
    		temp->data.num = q->data.num;
    		q->prior->next = temp;
    		q->prior = temp;
    		q->data.address += request;
    		q->data.length = ch;
    		q->data.num += 1;
    		return OK;
    	} return OK;
    }//分配主存
    Status allocation(int a)
    {
    
    	int request;//申请内存大小
    	printf("请输入申请分配的主存大小(单位:KB):");
    	scanf_s("%d", &request);
    	if (request < 0 || request == 0)
    	{
    		printf("分配大小不合适,请重试!");
    		return ERROR;
    	}
    
    	switch (a)
    	{
    	case 1://默认首次适应算法
    		if (First_fit(request) == OK)
    			printf("\t****分配成功!****");
    		else printf("\t****内存不足,分配失败!****");
    		return OK;
    		break;
    	case 2://选择最佳适应算法
    		if (Best_fit(request) == OK)
    			printf("\t****分配成功!****");
    		else printf("\t****内存不足,分配失败!****");
    		return OK;
    		break;
    	case 3://选择最差适应算法
    		if (Worst_fit(request) == OK)
    			printf("\t****分配成功!****");
    		else printf("\t****内存不足,分配失败!****");
    		return OK;
    		break;
    	}
    }
    Status deal1(Node *p)//处理回收空间
    {
    	Node *q = first;
    	for (; q != NULL; q = q->next)
    	{
    		if (q == p)
    		{
    			if (q->prior->data.state == 0 && q->next->data.state != 0)
    			{
    				q->prior->data.length += q->data.length;
    				q->prior->next = q->next;
    				q->next->prior = q->prior;
    				q = q->prior;
    				q->data.state = 0;
    				q->data.num = flag - 1;
    			}
    			if (q->prior->data.state != 0 && q->next->data.state == 0)
    			{
    				q->data.length += q->next->data.length;
    				q->next = q->next->next;
    				q->next->next->prior = q;
    				q->data.state = 0;
    				q->data.num = flag;
    			}
    			if (q->prior->data.state == 0 && q->next->data.state == 0)
    			{
    				q->prior->data.length += q->data.length;
    				q->prior->next = q->next;
    				q->next->prior = q->prior;
    				q = q->prior;
    				q->data.state = 0;
    				q->data.num = flag - 1;
    			}
    			if (q->prior->data.state != 0 && q->next->data.state != 0)
    			{
    				q->data.state = 0;
    			}
    		}
    	}
    	return OK;
    }
    Status deal2(Node *p)//处理回收空间
    {
    	Node *q = first;
    	for (; q != NULL; q = q->next)
    	{
    		if (q == p)
    		{
    			if (q->prior->data.state == 0 && q->next->data.state != 0)
    			{
    				q->prior->data.length += q->data.length;
    				q->prior->next = q->next;
    				q->next->prior = q->prior;
    				q = p->prior;
    				q->data.state = 0;
    				q->data.num = flag - 1;
    			}
    			if (q->prior->data.state != 0 && q->next->data.state == 0)
    			{
    				q->data.state = 0;
    			}
    			if (q->prior->data.state == 0 && q->next->data.state == 0)
    			{
    				q->prior->data.length += q->data.length;
    				q->prior->next = q->next;
    				q->next->prior = q->prior;
    				q = q->prior;
    				q->data.state = 0;
    				q->data.num = flag - 1;
    			}
    			if (q->prior->data.state != 0 && q->next->data.state != 0)
    			{
    				q->data.state = 0;
    			}
    		}
    	}
    	return OK;
    }//主存回收
    Status recovery(int flag)
    {
    	Node *p = first;
    	for (; p != NULL; p = p->next)
    	{
    		if (p->data.num == flag)
    		{
    			if (p->prior == first)
    			{
    				if (p->next != end)//当前P指向的下一个不是最后一个时
    				{
    					if (p->next->data.state == 0)//与后面的空闲块相连
    					{
    						p->data.length += p->next->data.length;
    						p->next->next->prior = p;
    						p->next = p->next->next;
    						p->data.state = 0;
    						p->data.num = flag;
    					}
    					else p->data.state = 0;
    				}
    				if (p->next == end)//当前P指向的下一个是最后一个时
    				{
    					p->data.state = 0;
    				}
    			}//结束if(p->prior==block_first)的情况
    			else if (p->prior != first)
    			{
    				if (p->next != end)
    				{
    					deal1(p);
    				}
    				else
    				{
    					deal2(p);
    				}
    			}//结束if(p->prior!=block_first)的情况
    		}//结束if(p->data.num==flag)的情况
    	}
    	printf("\t****回收成功****");
    	return OK;
    }//主函数
    void main()
    {
    	int i;//操作选择标记
    	int a;//算法选择标记
    	printf("**********************************************************\n");
    	printf("\t\t用以下三种方法实现主存空间的分配\n");
    	printf("\t(1)首次适应算法\t(2)最佳适应算法\t(3)最差适应算法\n");
    	printf("**********************************************************\n");
    	printf("\n");
    	printf("请输入所使用的内存分配算法:");
    	scanf_s("%d", &a);
    	while (a < 1 || a>3)
    	{
    		printf("输入错误,请重新输入所使用的内存分配算法:\n");
    		scanf_s("%d", &a);
    	}
    	switch (a)
    	{
    	case 1:printf("\n\t****使用首次适应算法:****\n"); break;
    	case 2:printf("\n\t****使用最佳适应算法:****\n"); break;
    	case 3:printf("\n\t****使用最坏适应算法:****\n"); break;
    	}
    	Initblock();//开创空间表
    	while (1)
    	{
    		show();
    		printf("\t1: 分配内存\t2: 回收内存\t0: 退出\n");
    		printf("请输入您的操作:");
    		scanf_s("%d", &i);
    		if (i == 1)
    			allocation(a);//分配内存
    		else if (i == 2)//内存回收
    		{
    			printf("请输入您要释放的分区号:");
    			scanf_s("%d", &flag);
    			recovery(flag);
    		}
    		else if (i == 0)
    		{
    			printf("\n退出程序\n");
    			break;//退出
    		}
    		else//输入操作有误
    		{
    			printf("输入有误,请重试!");
    			continue;
    		}
    	}
    }
    

    运行结果:
    在这里插入图片描述
    分配和回收测试的情况很多,自己试自己体会吧。

    转载自:操作系统课程设计内存管理含源代码(百度文库)

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  • 由于磁盘被分块后,每一块的大小都是一样的,所以也可仿照 页式存储空间的管理方法,对每个磁盘可以用一张位示图来指示磁盘空间的使用情况。 一个磁盘的分块确定后,根据总块数决定位示图由多少个字组成, 位示图中...

    如何实现存储空间的分配和回收取决于对空闲块的管理方法。 下面介绍几种常用的管理方法:

    一  位示图法

    注意,记住这几句话:每个盘面里面有扇区, 扇区里有磁盘组,

                                        磁盘组里面有柱面, 柱面里面有磁道; 

    由于磁盘被分块后,每一块的大小都是一样的,所以也可仿照 页式存储空间的管理方法,对每个磁盘可以用一张位示图来指示磁盘空间的使用情况。 一个磁盘的分块确定后,根据总块数决定位示图由多少个字组成, 位示图中的每一位与一个磁盘块对应,某位为 "1" 状态表示相应块已被占用,为 “0” 状态表示所对应的块是空闲块。

    假定一个盘组共有 100 个柱面, 编号为0~99。 每个柱面上有 8个磁道, 编号为0~7。 每个盘面分成4个扇区, 编号为0~3, 则整个磁盘空间共有4*8*100 = 3200个存储块。 如果用字长为32位的字来构造位示图, 共需100个字, 如图5-16所示。

    如果磁盘块的块号按柱面顺序和盘面顺序来编排,则第0号柱面第0盘面上的块号是0,1,2,3;第0号柱面第1盘面上的块号是4,5,6,7。依此计算, 第0号柱面上共有32块, 编号为0~31, 第1号柱面上的块号就为32~64, 于是位示图中, 第i个字的第j位对应的块号为:

    块号 = i * 32+j,  即  块号 = 字号 * 32 + 位号

    当有文件要存放到磁盘上是,根据需要的块数查位示图中为“0” 的位, 表示对应的那些存储块空闲, 可供使用。 一方面在位示图中查到的位上置占用标志“1”, 另一方面根据查到的位, 先计算出对应的块号, 然后确定这些可用的存储块在哪个柱面上,对应哪个扇区,属于哪个磁头, 按图5-16的示例,如果假定 M=[块号/32],  N=块号 mod 32,  那么由块号可计算出:

    柱面号 = M

    磁头号=[N/4]

    扇区号=N mod 4

    注意: [] 表示取N被4除后商的整数部分,   mod 表示取余

               (后面出现[]类似含义,但不一定除4)

    于是,文件信息就可按确定的地址存放到磁盘块上。

    当要删去某个文件, 归还存储空间时,可以根据归还块的柱面号、磁头号和扇区号计算出相应的块号, 由块号再推算出它在位示图中的对应位。把这一位的占用标志 “1”清成“0”, 表示该块已成了空闲块。 仍以图5-16为例,根据归还块所在的柱面号、磁头号和扇区号, 计算对应位示图中的字号和位号:

    块号=柱面号 * 32 + 磁头号 * 4 + 扇区号

    字号=[块号/32]

    位号=块号 mod 32

    注意: 以上计算式都是以图5-16为例进行的。 在实际应用时,应根据磁盘的结构确定位示图的构造,以及每个柱面上的块数和每个盘面上的扇区数,列出相应的换算公式。确定空闲块地址的通用公式为:

    块号=字号*字长 + 位号

    柱面号=[块号/柱面上的块数]

    磁头号=[(块号 mod 柱面上的块数)/ 盘面上的扇区数]

    扇区号=(块号 mod 柱面上的块数) mod 盘面上的扇区数

     

    归还一块时, 寻找位示图中位置的通用公式为:

    块号=柱面号*柱面上的块数+磁头号*盘面上的扇区数+扇区号

    字号=[块号/字长]

    位号=块号 mod 字长

     

    二  空闲块表法

    系统为每个磁盘建立一长空闲块表,表中每个登记项记录一组连续空闲块的首块号和块数。 空闲块数为 “0” 的登记项为无效登记项, 如表5-4所示

     

    这种管理方式适合采用顺序结构的文件。存储文件时从空闲块表中找一组连续的空闲块,删除文件时把归还的一组连续登记到空闲块表中。

    空闲块的分配和回收算法类似主存储器的可变分区管理方式中采用的最先适应、最优适应和最坏适应算法。

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存储空间的管理