预计阅读本页时间：-
7.7.2 两个替代的文件组织策略
这些考虑导致两个针对多媒体文件的其他文件存放组织。第一个是小块模型，如图7-20a所示。在这种组织中，选定磁盘块的大小比帧的平均大小，甚至是比P帧和B帧的大小，要小得多。对于每秒30帧以4 Mbps速率传输的MPEG-2而言，帧的平均大小为16KB，所以一个磁盘块的大小为1KB或2KB工作得比较好。这里的思想是每部电影有一个帧索引，这是一个数据结构，每一帧有一个帧索引项，指向帧的开始。每一帧本身是一连串连续的块，包含该帧所有的视频、音频和文本轨迹，如图7-20中所示。这样，读第k帧时首先要在帧索引中找到第k个索引项，然后在一次磁盘操作中将整个帧读入。由于不同的帧具有不同的大小，所以在帧索引中需要有表示帧大小的字段（以块为单位），即便对于1KB大小的磁盘块，8位的字段也可以处理最大为255KB的帧，这对于一个未压缩NTSC帧来说，就算它有许多音频轨迹也已经足够了。
存放电影的另一个方法是使用大磁盘块（比如256KB），并且在每一块中放入多个帧，如图7-20b所示。这里仍然需要一个索引，但是这次不是帧索引而是块索引。实际上，该索引与图6-15中的i节点基本相同，只是可能还有额外的信息表明哪一帧处于每一块的开始，这样就有可能快速地找到指定的帧。一般而言，一个磁盘块拥有的帧的数目不见得是整数，所以需要做某些机制来处理这一问题。解决这一问题有两种选择。
第一种选择如图7-20b所示，当下一帧填不满当前磁盘块的时候，则磁盘块剩余的部分就保持空闲状态。这一浪费的空间就是内部碎片，与具有固定大小页面的虚拟内存系统中的内部碎片相同。但是，这样做在一帧的中间决不需要进行寻道。
广告：个人专属 VPN，独立 IP，无限流量，多机房切换，还可以屏蔽广告和恶意软件，每月最低仅 5 美元
另一种选择是填充每一磁盘块到尽头，将帧分裂开使其跨越磁盘块。这一选择在帧的中间引入寻道的需要，这将损害性能，但是由于消除了内部碎片而节约了磁盘空间。
作为对比，图7-20a中小块的使用也会浪费某些磁盘空间，因为在每一帧的最后一块可能有一小部分未被使用。对于1KB的磁盘块和一部由216 000帧组成的2小时的NTSC电影，浪费的磁盘空间总共只有3.6GB中的大约108KB。图7-20b浪费的磁盘空间计算起来非常困难，但是肯定多很多，因为在一个磁盘块的尽头有时会留下100KB的空间，而下一帧是一个比它大的I帧。
另一方面，块索引比帧索引要小很多。对于256KB的块，如果帧的平均大小为16KB，那么一个块大约可以装下16个帧，所以一部由216 000帧组成的电影在块索引中只需要有13 500个索引项，与此相对比，对于帧索引则需要216 000个索引项。因为性能的原因，在这两种情形中索引都应该列出所有的帧或磁盘块（也就是说不像UNIX那样有间接块），所以块索引在内存中占用了13 500个8字节的项（4个字节用于磁盘地址，1个字节用于帧的大小，3个字节用于起始帧的帧号），帧索引则在内存中占用了216 000个5字节的项（只有磁盘地址和帧的大小），比较起来，当电影在播放时，块索引比帧索引节省了接近1MB的RAM空间。
这些考虑导出了如下的权衡：
1)帧索引：电影在播放时使用大量的RAM；磁盘浪费小。
2)块索引（禁止分裂帧跨越磁盘块）：RAM用量低；磁盘浪费较大。
3)块索引（允许分裂帧跨越磁盘块）：RAM用量低；无磁盘浪费；需要额外寻道。
因此，这里的权衡涉及回放时RAM的使用量、自始至终浪费的磁盘空间以及由于额外寻道造成的回放时的性能损失。但是，这些问题可以用各种方法来解决。采用分页操作在需要的时候及时将帧索引装入内存，可以减少RAM的使用量。通过足够的缓冲可以屏蔽在帧传输过程中的寻道，但是这需要额外的内存并且可能还需要额外的复制操作。好的设计必须仔细分析所有这些因素，并且为即将投入的应用做出良好的选择。
这里的另一个因素是图7-20a中的磁盘存储管理更加复杂，因为存放一帧需要找到大小合适的一连串连续的磁盘块。理想情况下，这一连串磁盘块不应该跨越一个磁道的边界，但是通过磁头偏斜，这一损失并不严重。然而，跨越一个柱面的边界则应该避免。这些要求意味着，磁盘的自由存储空间必须组织成变长孔洞的列表，而不是简单的块列表或者位图。与此相对照，块列表或者位图都可以用在图7-20b中。
在上述所有情况下，还要说明的是，只要可能应该把一部电影的所有块或者帧放置在一个狭窄的范围之内，比如说几个柱面。这样的存放方式意味着寻道可以更快，从而留下更多的时间用于其他（非实时）活动，或者可以支持更多的视频流。这种受约束的存放可以通过将磁盘划分成柱面组来实现，每个组保持单独的空闲块列表或位图。如果使用孔洞，可能存在一个1KB孔洞的列表、一个2KB孔洞的列表、一个3KB到4KB孔洞的列表、一个5KB到8KB孔洞的列表等。以这种方法在一个给定的柱面组中找到一个给定大小的孔洞是十分容易的。
这两种方法之间的另一个区别是缓冲。对于小块方法，每次读操作正好读取一帧。因此，采用简单的双缓冲策略就工作得相当好：一个缓冲区用于回放当前帧，另一个用于提取下一帧。如果使用固定大小的缓冲区，则每个缓冲区必须足够大以装得下最大可能的I帧。另一方面，如果针对每一帧从一个池中分配不同的缓冲区，并且当帧在被读入之前其大小未知，那么对于P帧和B帧就可以选择一个较小的缓冲区。
使用大磁盘块时，因为每一块包含多个帧，并且在每一块的尽头还可能包含帧的片段（取决于选定前面提到的是哪种选择），因而需要更加复杂的策略。如果显示或传输帧时要求它们是连续的，那么它们就必须被复制，但是复制是一个代价高昂的操作，应该尽可能避免。如果连续性是不必要的，那么跨越块边界的帧可以分两次送出到网络上或者送出到显示设备上。
双缓冲也可以用于大磁盘块，但是使用两个大磁盘块会浪费内存。解决浪费内存问题的一种方法是使用比为网络或显示器提供数据的磁盘块（每个数据流）稍大一些的循环传输缓冲区。当缓冲区的内容低于某个阈值时，从磁盘读入一个新的大磁盘块，将其内容复制到传输缓冲区，并且将大磁盘块缓冲区返还给通用池。循环缓冲区大小的选取必须使得在它达到阈值时，还有空间能够容纳另一个完整的磁盘块。因为传输缓冲区可能要环绕，所以磁盘读操作不能直接达到传输缓冲区。这里复制和内存的使用量相互之间存在着权衡。
在比较这两种方法时，还有另一个因素就是磁盘性能。使用大磁盘块时磁盘可以以全速运转，这经常是主要关心的事情。作为单独的单位读入小的P帧和B帧效率是比较低的。此外，将大磁盘块分解在多个驱动器上（下面将讨论）是可能的，而将单独的帧分解在多个驱动器上是不可能的。
图7-20a的小块组织有时称为恒定时间长度（constant time length），因为索引中的每个指针代表着相同的播放时间毫秒数。相反，图7-20b的组织有时称为恒定数据长度（constant data length），因为数据块的大小相同。
两种文件组织间的另一个区别是，如果帧的类型存储在图7-20a的索引中，那么有可能通过仅仅显示I帧实现快进。然而，根据I帧出现在数据流中的频度，人们可能会察觉到播放的速率太快或太慢。在任何情况下，以图7-20b的组织，这样的快进都是不可能的。实际上连续地读文件以选出希望的帧需要大量的磁盘I/O。
第二种方法是使用一个特殊的文件给人以10倍速度快进的感觉，而这个特殊的文件是以正常速度播放的。这个文件可以用与其他文件相同的方法构造，可以使用帧索引也可以使用块索引。打开一个文件的时候，如果需要，系统必须能够找到快进文件。如果用户按下快进按钮，系统必须立即找到并且打开快进文件，然后跳到文件中正确的地方。系统所知道的是当前所在帧的帧号，但是它所需要的是能够在快进文件中定位到相应的帧。如果系统当前所在的帧号是4816，并且知道快进文件是10倍速，那么它必须在快进文件中定位到第482帧并且从那里开始播放。
如果使用了帧索引，那么定位一个特定的帧是十分容易的，只要检索帧索引即可。如果使用的是块索引，那么每个索引项中需要有额外的信息以识别哪一帧在哪一块中，并且必须对块索引执行二分搜索。快倒的工作方式与快进相类似。
