面试题：连续物理组织空间利用策略下的磁盘碎片问题及解决

Question

在文件系统连续物理组织的空间利用策略中，会产生磁盘碎片问题。请分析其产生的原因，并提出至少两种有效的解决方法，同时说明每种方法的适用场景及可能带来的副作用。

Answer 1

磁盘碎片产生原因

在连续物理组织的文件系统中，文件以连续的磁盘块存储。当文件被删除时，其占用的连续磁盘块被释放，这些释放的块会形成空闲块。随着文件不断地创建和删除，空闲块会变得零散且不连续。新创建的文件如果大小超过了单个空闲块的大小，即使所有空闲块的总大小足够，也无法分配到连续的空间，从而产生磁盘碎片。

解决方法

1. 紧凑（Compaction）
   • 适用场景：适用于磁盘碎片较为严重，系统负载相对较低，对磁盘空间利用率要求较高的场景。例如在一些定期维护的服务器存储系统中。
   • 副作用：执行紧凑操作时，需要将所有文件进行移动和重定位，这会消耗大量的系统资源（如CPU、I/O），在操作过程中会导致系统性能明显下降，而且该操作可能需要系统暂时停止对文件系统的常规读写操作，影响系统的正常运行。
2. 定期整理空闲块
   • 适用场景：适合于文件系统使用频率相对稳定，文件创建和删除操作相对均衡的场景。比如普通办公环境的文件服务器，文件操作行为较为规律。
   • 副作用：定期整理空闲块需要额外的系统资源来维护和执行整理算法，可能会在一定程度上影响系统的日常性能。并且如果整理算法不合理，可能导致某些文件频繁移动，增加文件系统的磨损，影响存储设备的使用寿命。
3. 预分配策略
   • 适用场景：适用于对文件大小有一定可预测性的应用场景，例如数据库系统，通常可以预估数据库文件的增长规模。
   • 副作用：预分配可能会造成磁盘空间的浪费，如果预分配的空间过大，而实际文件增长没有达到预分配的规模，就会导致部分空间闲置。同时，预分配操作需要在文件创建时额外处理，增加了文件创建的时间开销和系统复杂度。