文件管理（四）—— 文件存储空间管理

前言

文件物理结构解决的是非空闲磁盘块 的组织问题，而本节讨论的存储空间管理，则是对空闲磁盘块的管理。核心问题围绕三个角度展开：① 用什么数据结构记录空闲块？② 如何分配磁盘块？③ 如何回收磁盘块？

1. 存储空间的划分与初始化

文件卷（逻辑卷/逻辑盘）：即 Windows 中的 C 盘、D 盘等，是操作系统管理文件的基本单位。一个物理磁盘可以划分成多个文件卷；某些系统也支持多个物理磁盘合并为一个文件卷（用于超大型文件系统）。

每个文件卷内部进一步划分为两个区域：

区域	存放内容
目录区	文件目录（FCB/inode）、空闲表、位视图、超级块等管理数据
文件区	普通文件的实际数据

2. 空闲表法

用一张空闲表记录每个连续空闲区间的起始盘块号和长度，与内存管理中的动态分区分配空闲表原理相同。

分配：采用首次适应、最佳适应或最坏适应等算法，从空闲表中找到满足需求的连续空闲区，摘出所需块并更新表项。适用于连续分配的物理结构。

回收：回收时需根据回收区与已有空闲区的相邻关系分四种情况处理（与动态分区分配回收相同）：

情况	处理方式	表项数量变化
前后都无相邻空闲区	新增一个表项	+1
前后都有相邻空闲区	合并为一个表项	-1
仅前面有相邻空闲区	扩展前面表项	不变
仅后面有相邻空闲区	扩展后面表项	不变

空闲表法不适合大型文件系统，因为空闲表可能变得很长。

3. 空闲链表法

以链表形式组织空闲块，分为两种变体，盘块（block）是磁盘分配的基本单位，盘区（extent）是一组连续盘块组成的区域：

3.1 空闲盘块链

以单个盘块为节点组成链表，每个空闲盘块中存有指向下一个空闲盘块的指针。操作系统保存链头和链尾指针。

分配：从链头依次摘下 k 个盘块，修改链头指针。适用于离散分配。
回收：将回收的盘块挂到链尾，修改链尾指针。

缺点：分配多个盘块需多次操作，效率偏低。

3.2 空闲盘区链

以连续空闲区间（盘区） 为节点，每个盘区的第一个盘块中记录该区长度和下一个盘区的指针。

分配：用首次适应等算法在链中找合适的盘区；若无连续的 k 个块，可跨盘区拼凑分配。既适用于连续分配 ，也适用于离散分配。
回收：与空闲表法类似，注意相邻盘区的合并。

空闲盘区链一次可摘出一整片连续空间，分配多个块时效率高于空闲盘块链。

4. 位视图法（位图法）

用二进制位串 表示磁盘空间状态，每一位对应一个盘块：0 表示空闲，1 表示已分配（具体含义以题目为准）。

4.1 数据组织

位视图通常按字存储，若字长为 n 位，则用 (字号 i, 位号 j) 二元组定位某一盘块。

转换公式 （以字号、位号、盘块号均从 0 开始为例）：

$盘块号=n×i+j\text{盘块号} = n \times i + j$ 盘块号=n×i+j

$i= ⌊盘块号n⌋ ,j=盘块号 mod n i = \left\lfloor \frac{\text{盘块号}}{n} \right\rfloor, \quad j = \text{盘块号} \bmod n$ i=⌊n盘块号⌋,j=盘块号modn

若从 1 开始编号，公式需相应调整。题目中一定要看清楚是从 0 还是从 1 开始。

示例（字长 n = 16）：

字号 1、位号 10 → 盘块号 = 16×1 + 10 = 26
盘块号 31 → 字号 = 31÷16 = 1 ，位号 = 31%16 = 15

4.2 分配与回收

分配：顺序扫描位视图，找到 k 个为 0 的位，由字号和位号计算出盘块号，将对应位置 1。连续/离散分配均适用。
回收：由回收盘块号计算字号和位号，将对应位置 0。

5. 成组链接法

成组链接法是 Unix 文件系统中常用的一种空闲空间管理方法，适用于大型文件系统。它通过将大量空闲盘块分组管理，避免了空闲表过大或空闲链表过长的问题，提高了空闲空间管理效率。

5.1 数据结构

成组链接法的基本思想是：

将空闲盘块分成若干组，每组保存一批空闲盘块的编号，同时组与组之间形成链接关系。

系统使用超级块（superblock） 保存当前第一组空闲盘块的信息。超级块属于文件系统元数据区域，系统启动时会将其读入内存并长期保存，因此访问第一组信息时不需要读磁盘。

例如：

css 复制代码

超级块：
[空闲块数=100 | 空闲盘块号：201,202,...,300]
                         ↓

300号盘块：
[空闲块数=100 | 空闲盘块号：301,302,...,400]
                         ↓

400号盘块：
[空闲块数=100 | 空闲盘块号：401,402,...,500]
                         ↓

最后一组：
[空闲块数 | 空闲盘块号列表 | 下一组=-1]

其中：

超级块保存第一组空闲盘块的信息；
每组的最后一个空闲盘块用于保存下一组空闲盘块的信息；
最后一组没有下一组，因此使用特殊值（如 -1）表示结束。

需要注意：

每组中的盘块号不要求连续；
每组最多保存固定数量的空闲盘块信息；
由于每组需要占用一个盘块保存下一组信息，因此该盘块不能直接作为普通空闲盘块使用。

5.2 分配过程

分配一个盘块

假设超级块中记录：

复制代码

空闲块数 = 100   空闲盘块：201,202,...,300

当文件需要一个盘块时：

操作系统直接从超级块中取出一个空闲盘块号，例如 201；
将盘块 201 分配给文件；
修改超级块中的空闲块数量：100 → 99

由于超级块已经在内存中，因此整个过程不需要访问磁盘。

分配一整组盘块

如果第一组空闲盘块全部被分配，只剩下最后一个盘块（例如300号盘块）时，需要特殊处理。

原因：

300号盘块中保存了下一组空闲盘块的信息，如果直接分配，会导致后续空闲盘块丢失。

因此步骤如下：

先读取300号盘块中的下一组信息；
将下一组信息复制到超级块中；
再将300号盘块分配给文件。

处理后：

复制代码

原：超级块 → 300号盘块 → 下一组

变为：超级块 → 下一组

保证超级块始终保存当前可用的第一组信息。

5.3 回收过程

回收盘块时，需要把释放的盘块重新加入第一组。

情况一：当前组未满

超级块：空闲块数 = 80

此时还有空间记录新的空闲盘块。

回收一个盘块：

将该盘块号加入当前组；
修改空闲块数：80 → 81

即可完成回收。

情况二：当前组已满

超级块：空闲块数 = 100

当前组已经无法继续加入新的盘块。

此时：

将超级块中当前组的信息复制到被回收的盘块中；
复制代码
```
回收盘块：

保存旧第一组的信息
```
修改超级块，使其指向这个新的盘块；
将超级块中的空闲块数设置为 1。

结果：新的空闲盘块组被插入链表最前端。

6. 小结

方法	数据结构	适用分配方式	适用规模
空闲表法	空闲区间表	连续分配	小型
空闲盘块链	单块链表	离散分配	小型
空闲盘区链	盘区链表	连续/离散	中型
位视图法	二进制位串	连续/离散	通用
成组链接法	分组链 + 超级块	离散分配	大型（Unix）