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一、空闲区域 管理

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1、空闲区域分配

在 索引文件结构 中 , 向文件写入数据时 , 需要进行 数据块 的分配 , 涉及数据块的动态分配策略 , 将空闲数据库 分配给文件 , 使用索引指向新分配的 数据块 ;

从 空闲数据块池 中为文件分配必要的物理块 , 并更新索引结构以指向这些新分配的数据块 ;

为了有效管理这些物理块的分配状态 , 即 区分哪些物理块当前处于空闲状态（即未被占用） , 而哪些物理块已被使用 , 必须引入一种精细的存储空间空闲区域管理机制 ;

这一机制对于 确保文件系统的高效运行与资源的最优化利用 至关重要 ;

2、空闲区域 管理方式 简介

存储空间 中 空闲区域 的管理有很多方式 :

• 位示图法 ( 考点 ) : 用二进制位 ( 0/1 ) 表示存储单元（如磁盘块）的空闲状态 , 构成位示图 ;
  • 分配时扫描位示图，寻找连续空闲位 0 并标记为占用 1 ;
  • 释放时将对应位重置为 0 ;
• 空闲区表法 : 维护一张空闲区表 , 记录所有空闲区域的起始地址和长度 ;
  • 分配时 , 按特定策略（如首次适应、最佳适应）搜索表 , 找到合适区域后分配 , 并更新表项 ;
  • 释放时 , 合并相邻空闲区域 , 更新表项 ;
• 空闲链表法 : 将空闲区域通过链表连接 , 每个空闲块头部保存下一空闲块的地址和大小 ;
  • 分配时遍历链表 , 找到足够大的块后分割或直接分配 , 并更新链表 ;
  • 释放时插入链表 , 并检查相邻块是否空闲以合并 ;
• 成组链接法 : 结合空闲表与链表 , 将空闲块分组成栈结构 , 每组首块记录下一组地址和本组空闲块数 ;
  • 分配时从当前组取块 , 若当前组用完 , 根据首块指针跳转到下一组 ;
  • 释放时加入当前组 , 组满后形成新组并更新首块指针 ;

二、位示图 简介

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1、位示图 表示

下图中 位示图 , 与 电影院 选座类似 , 下图中 蓝色的标注 1 的位置 表示已经被使用了 , 白色标注 0 的位置 表示空闲的区域 ;

• 已经使用的 数据块 使用 1 标注 , 写入文件数据时 , 就不能再使用该 数据块 了 ;
• 未被使用的 数据块 使用 0 标注 , 可以被写入文件数据 , 写入数据后 , 使用 索引 指向该数据块 ;

2、位示图 字号

位示图通常 按 固定长度的 字 ( Word ) 划分 , 每个字包含多个 二进制位 , 如 : 32位 或 64位 , 与系统字长相关 ;

字号 表示目标磁盘块所在的 字 的索引 ;

字号 计算公式 : 字号 = 物理块号 / 字长 ;

上述公式中 , 字长 的单位是 比特位 ;

3、位示图 位号

位示图 中 , 在确定字号后 , 位号表示目标磁盘块在该字中的具体二进制位位置 ;

计算公式 : 位号 = 物理块号 mod 字长

上述公式中 , 字长 的 单位是 比特位 ;

4、位示图 中 比特位 分组管理

比特位 分组管理 :

位示图 按照 比特位 进行管理 , 一个 比特位 表示一个 数据块 是否可用 , 0 表示可用 , 1 表示不可能 ( 已被分配给文件存放数据 ) ;

比特位 单位太小 , 一般按照 字 进行管理 , 每个 字 都有一个 字长概念 ;

如 : 字长 2 字节 , 表示 每个 字 有 2 字节 ( Byte ) , 有 16 个比特位 ( bit) ;

字长 为 2 字节 的 字 , 每个 字 有 0 ~ 15 号 共 16 个 比特位 ;

下图中 ,

• 位序 : 顶部 第一行 的 第 0 ~ 15 格子 , 表示 每个字的 16 个 比特位 ;
• 字序 : 左侧 第一列 的 第 0 ~ 15 格子 , 表示 有 16 个字 ;

第 33 号 磁盘块 , 对应的物理块号为 32 , 对应的 位序 和 字序 计算方式 :

• 字号 : 32 / 16 = 2 , 其位序 是 2 , 也就是 位示图中的 第 3 行 , 对应 第 2 号 字序 ;
• 位号 : 32 mod 16 = 0 , 除以 16 得到余数 0 , 对应 第 0 号 位序 ;

第 2 号 字号 , 第 0 号 位号 , 对应位示图中的 红色矩形框位置 ,

该位置 是 蓝色 被标注为 1 , 说明 第 33 号 磁盘块 已经被使用 ;

三、位示图 考点

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1、计算磁盘 位示图 的大小

位示图 的 字长 32 位 , 也就是 4 字节 ;

磁盘容量 300GB , 物理块 大小 1MB ;

计算 位示图 需要有多少个字 , 也就是 字号 的取值范围 ;

磁盘容量 300 GB = 300 x 1024 MB ;

该磁盘的 物理块数 = 300 x 1024 MB / 1 MB = 300 x 1024 个 ;

磁盘的 物理块数 就是 位示图 的 位数 需要有 300 x 1024 位 ;

位示图 字长 4 字节 , 也就是 32 位 ;

对应的 字 的个数是 300 x 1024 / 32 = 300 x 32 = 9600 个 ;

字号 的 取值范围 是 0 ~ 9599 ;

该磁盘的位示图

• 位号 : 取值范围 0 ~ 31 ;
• 字号 : 取值范围 0 ~ 9599 ;

该磁盘的位示图 是一个 32 x 9600 的矩阵 , 如下图所示 :

2、位示图 位置计算

下面的位示图

字长 4 字节 , 32 位 , 位号取值范围 0 ~ 31 ,

字数 9600 位 , 字号 取值范围 0 ~ 9599 , 位示图如下所示 :

计算 磁盘的 2048 号 物理块 对应的 字号 和 位号 ;

物理块号 从 0 开始计数 , 2048 号物理块 对应着 第 2049 号物理块 ;

字号计算 : 2048 / 32 = 64 , 字号是 64 ;

位号计算 : 2048 mod 32 = 0 , 位号为 0 ;

最终计算结果 : 字号 64 , 位号 0 ;