第8章文件管理

1、第8章文件管理28.1 文件系統(tǒng)的概念文件系統(tǒng)的概念 文件系統(tǒng)的引入信息用戶檢索存儲器長久存儲解決如何分配存儲器?使用何種存取方法?如何組織信息?用戶用戶共享共享如何命名?如何保護(hù)?文件系統(tǒng)3 文件：以文件名字標(biāo)識的在計算機(jī)上存儲的信息集合。 文件名 根據(jù)文件的定義，每個文件必須有一個唯一的文件名， 不論是系統(tǒng)管理，還是用戶使用文件都使用文件名。 DOS、WINDOWS系統(tǒng)中文件名：文件名 文件擴(kuò)展名 例：*.xxx oschapter1.ppt UNIX系統(tǒng)中的文件名：一個不大于14個字符的字符串。區(qū)分字母的大小寫。沒有文件名和文件擴(kuò)展名之分。 例：hello.c Unix中認(rèn)為符號“.”是

2、名字一部分，名字由7個字符組成。4 文件系統(tǒng) 操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存取文件信息的軟件。 主要功能 實(shí)現(xiàn)“按名存取”。用戶按照可見的文件邏輯結(jié)構(gòu)提供的方式進(jìn)行信息的加工和存取。這種邏輯結(jié)構(gòu)獨(dú)立于物理存儲設(shè)備，對用戶透明，用戶不必了解文件存取的物理細(xì)節(jié)，由文件系統(tǒng)進(jìn)行文件名到文件存儲設(shè)備物理地址的映射。 對磁盤等外存空間進(jìn)行統(tǒng)一管理。用戶創(chuàng)建文件時為其分配外存空間，用戶刪除或修改文件時回收或調(diào)整其外存空間，以提高外存空間的利用率。5 提供合適的文件物理結(jié)構(gòu)。文件在物理設(shè)備上的存放方式稱為文件的物理結(jié)構(gòu)，一個好的文件物理結(jié)構(gòu)會給系統(tǒng)帶來好的空間和時間利用率。 完成對存放在存儲設(shè)備上的文件信息的查找。

3、 提供用戶接口。如鍵盤命令、圖形菜單、批處理和系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，均由文件系統(tǒng)提供。 提供有關(guān)文件自身的服務(wù)，如文件的共享和保護(hù)以及文件完整性控制等。6文件分類文件分類 按文件性質(zhì)和用途分類(*) 按文件保護(hù)方式分類（*） 按文件的邏輯存儲結(jié)構(gòu)分類 有結(jié)構(gòu)文件：由若干個記錄構(gòu)成的文件，又稱記錄式文件； 無結(jié)構(gòu)文件：由字符序列所構(gòu)成的文件，又稱為流式文件。7 按用戶觀點(diǎn)分類按用戶觀點(diǎn)分類普通文件(常規(guī)文件) ：是指系統(tǒng)中最一般組織格式的文件，一般是字符流組成的無結(jié)構(gòu)文件；目錄文件：是由文件的目錄信息構(gòu)成的特殊文件，操作系統(tǒng)將目錄也做成文件；特殊文件（設(shè)備驅(qū)動程序）：在UNIX或Linux操作系統(tǒng)中，所

4、有的輸入輸出外部設(shè)備都被看作特殊文件便于統(tǒng)一管理。 8 按存取的物理結(jié)構(gòu)分類(詳見后面章節(jié))順序（連續(xù)）文件：鏈接文件：索引文件：98.2 文件邏輯結(jié)構(gòu)與存取方法文件邏輯結(jié)構(gòu)與存取方法 8.2.1 邏輯結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu) 文件的結(jié)構(gòu)：文件的組織形式 邏輯結(jié)構(gòu)。這是從用戶觀點(diǎn)出發(fā)，觀察到的文件組織形式，是用戶可以直接處理的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)。 物理結(jié)構(gòu)。文件在外存上的存儲組織形式 ，指在保證文件邏輯一致性的分配方式下所形成的文件結(jié)構(gòu)，對于用戶透明。文件磁盤文件存入取出保證邏輯一致性保證邏輯一致性10 文件的邏輯結(jié)構(gòu)分類： 字符流式 由字符序列組成的文件，是無結(jié)構(gòu)文件，其內(nèi)部信息不再劃分結(jié)構(gòu)，也可以理解為該文

5、件的基本信息單位是字符。 記錄式文件 有結(jié)構(gòu)文件。其文件信息被劃分為若干條記錄，用戶以記錄為單位組織信息。 常用的記錄式文件有以下幾種： 連續(xù)結(jié)構(gòu) 多重結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu) 順序結(jié)構(gòu)8.2.2 存取方法 文件存取：文件修改、搜索等操作。 文件存取實(shí)現(xiàn)前提：查找文件邏輯地址 常用的存取方法： 順序存取法 隨機(jī)存取法（直接存取法） 按鍵存取法1）. 順序存取法 順序存取法按照文件的邏輯地址順序存取信息。 記錄式文件：按記錄的排列順序來存取。 流式無結(jié)構(gòu)文件：當(dāng)存取完一段信息后，讀寫指針自動加上或減去該段信息的長度，以便指出下次存取時的位置。2）. 隨機(jī)存取法 隨機(jī)存取允許用戶根據(jù)記錄的編號來存取文件的任

6、一記錄，或者是根據(jù)存取命令把讀寫指針移到要讀寫處進(jìn)行讀寫。 UNIX系統(tǒng)及MS-DOS等操作系統(tǒng)都采用順序存取和隨機(jī)存取兩種方法。3）. 按鍵存取法 按鍵存取法是根據(jù)給定的鍵或記錄名首先搜索到要進(jìn)行存取的記錄的邏輯位置，再將其轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的物理地址后進(jìn)行存取。 應(yīng)用：數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。 無論采用何種文件存取方法，都是首先定位信息的邏輯地址，然后由邏輯地址映射到物理地址，再對物理地址內(nèi)的信息進(jìn)行操作。 由邏輯地址到物理地址的映射是和文件的物理存儲方式（物理結(jié)構(gòu)）緊密相關(guān)的。 文件系統(tǒng)所采用的邏輯結(jié)構(gòu)也和文件的物理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。 對上述觀點(diǎn)的解釋：物理塊與邏輯塊關(guān)系8.3文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲設(shè)備16

7、一個文件存儲介質(zhì)，格式化后就分成許多大小相等的單位存儲塊（物理塊），在現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)中，一般來說，每個物理塊是一個磁盤的扇區(qū)，長度為512字節(jié)或1024字節(jié)。并給每個存儲塊有個編號，稱為物理塊號。 為了有效地利用存儲設(shè)備和便于系統(tǒng)管理，一般把文件信息劃分為與物理存儲設(shè)備的物理塊大小相等的邏輯塊。從而，以塊作為分配和傳送信息的基本單位。物理塊與邏輯塊關(guān)系178.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)文件物理結(jié)構(gòu)：文件在外存上的存儲組織形式。文件的物理結(jié)構(gòu)分類順序（連續(xù)）文件鏈接文件索引文件18 連續(xù)文件 將一個邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放到連續(xù)的物理塊中。 文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 起始塊號 文件長度19 例文件A的邏輯塊號

8、為0、1、2、3，其連續(xù)文件的物理結(jié)構(gòu)如下圖所示。 優(yōu)點(diǎn)：簡單，不占用額外的存儲空間，對連續(xù)存取有最好的時空效率。 缺點(diǎn)：時間開銷大。對數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪改動，完成操作后仍需保持物理上的連續(xù)，大量的物理塊移動導(dǎo)致。20 串聯(lián)文件（鏈接文件） 采用物理上不連續(xù)的塊存放文件，并使用指針實(shí)現(xiàn)各塊間邏輯上的連續(xù)性。 上例中，文件A如果采用串聯(lián)分配，其物理存儲結(jié)構(gòu)如下圖所示。21 優(yōu)點(diǎn) 使用串聯(lián)文件結(jié)構(gòu)時，只需提供該文件的第一個物理塊號，無須提供文件長度。 串聯(lián)文件結(jié)構(gòu)下，文件長度可以動態(tài)增長，增刪方便，只要調(diào)整指針就可以方便地插入或刪除信息塊。 缺點(diǎn) 由于邏輯塊號到物理塊號的轉(zhuǎn)換需要由第一塊開始，依照指針的

9、指引，在隊(duì)列中逐塊查詢，而每獲取一個指針值都必須讀一次物理塊。 對磁盤等設(shè)備而言，為了讀取某個數(shù)據(jù)塊可能造成磁頭大幅度移動而花費(fèi)很多的時間開銷。所以該文件結(jié)構(gòu)查詢效率極低。 串聯(lián)分配適于邏輯上連續(xù)，且存取也是順序訪問的文件。串聯(lián)結(jié)構(gòu)不適合隨機(jī)存取。22索引文件 每個文件對應(yīng)一個索引表，索引表描述邏輯塊與物理塊的映射關(guān)系。 索引表的結(jié)構(gòu)：邏輯塊號及對應(yīng)的物理塊號 上例中的文件A如果采用索引結(jié)構(gòu)，其文件物理結(jié)構(gòu)如下圖所示。 串聯(lián)與索引都是物理塊分配不連續(xù)方式，只是組織管理空閑塊的方法不同。23 優(yōu)點(diǎn)：既適用于順序存取也適用于隨機(jī)存取，且時間效率高。 缺點(diǎn)： 需要付出索引表占用的存儲空間 由于索引表

10、存放在外存，所以訪問索引表會增加讀盤次數(shù) 當(dāng)文件很大時，其索引表項(xiàng)也相應(yīng)增長，使得查詢效率下降。 解決方法：采用多級索引方式。 多級索引：當(dāng)某級索引表很長時，在該級索引的基礎(chǔ)上再建一級索引，形成一個索引樹，以提高查詢效率。24一級索引分配的另一種圖表示法25 二級索引 一個索引塊不夠存放文件序列時，為索引塊再建立一級索引，形成兩級索引分配方式。 推廣到三級索引分配以上的統(tǒng)稱多級索引分配。 26 例： 每個盤塊大小為1KB，每個盤塊號占4個字節(jié)，若采用一級索引方式，則在一個索引塊中可存放多少個盤號？若采用兩級索引，則最多可存放的盤塊數(shù)為多少？允許的文件最大長度是多少？ 分析： 兩級索引：見索引圖

11、 文件長度：共有N個盤塊，每個盤塊的大小M =N*M27 解： 一級索引方式，盤塊數(shù)=1KB/4B=256個 兩級索引，盤塊數(shù)=256*256=64K個 允許的文件最大長度=64K*1K=64MB28 混合索引分配 將直接地址與多級索引方式結(jié)合形成。某文件系統(tǒng)的文件部分FCB如下圖所示，采用索引數(shù)組表示文件的物理存儲，分別為直接、一級、二級、三級索引（間接）結(jié)構(gòu)。假設(shè)用4個字節(jié)表示物理地址，2KB（4個扇區(qū)，每個扇區(qū)512字節(jié)）為分配單位：請問該文件系統(tǒng)可存儲的最大文件長度是多少（最后結(jié)果可給出表達(dá)式）？給出計算過程。0123456789一次間接二次間接三次間接文件信息 文件信息 文件信息 文

12、件信息 文件信息 文件信息 文件信息 二次間接三次間接索引數(shù)組與一次間接相同，省略間接指向的其他 文件地址索引塊這個內(nèi)存塊存放的是地址文件塊這個內(nèi)存塊存放的是文件解： 直接地址：指向10個文件塊 一級索引： 每個內(nèi)存塊為2KB，每個地址占4B， 一級索引塊內(nèi)可存放的地址個數(shù)=2KB/4B=29個地址，即該索引塊指向29（512）個文件塊。 二級索引： 指向512*512個文件塊 共有一個二級索引塊，指向512個一級索引塊，每個一級索引塊指向512個文件塊。 三級索引： 指向512*512*512個文件塊 共有一個三級索引塊，指向512個二級索引塊； 每個二級索引塊指向512個一級索引塊； 每個

13、一級索引塊指向512個文件塊。 文件塊總數(shù)：10+512+512*512+ 512*512*512 文件長度：文件總塊數(shù)*每塊長度（2KB）31 文件存儲設(shè)備 磁盤、磁帶、光盤等，其中磁盤又可以分為硬盤、軟盤和U盤。 存儲設(shè)備的物理結(jié)構(gòu)和存取方法 存儲設(shè)備的特性決定了文件可能的物理結(jié)構(gòu)和存取方法。 分類 順序存取設(shè)備 直接存取設(shè)備8.3.2文件存儲設(shè)備32 順序存取設(shè)備 磁帶是一種典型的順序存儲設(shè)備。 特點(diǎn)：從前到后依次訪問物理塊 結(jié)構(gòu)： 存儲塊、間隔交替（如下圖） 為了讓磁帶機(jī)在存取物理塊時有加速和停止的緩沖區(qū)域，磁帶上兩個相鄰物理塊之間設(shè)計了一個間隔將它們隔開。 與存取速度和數(shù)據(jù)傳輸率相關(guān)

14、的因素： 信息密度（字符數(shù)英寸） 磁帶帶速（英寸秒） 塊間間隔33直接存取設(shè)備 磁盤是典型的直接存取設(shè)備。 特點(diǎn)：該設(shè)備允許文件系統(tǒng)直接存取磁盤上的任意物理塊。訪問指定的物理塊時，磁頭可直接定位到目標(biāo)位置，無需磁帶順序設(shè)備那樣事先存取其前面的物理塊。 結(jié)構(gòu)：磁盤一般由若干盤片組組成。每個盤片被格式化為若干磁道，每磁道又被分割為若干扇區(qū)，每扇區(qū)存放相同容量的信息。多個盤面的同一磁道形成同一個柱面。其中每個盤片對應(yīng)一個裝有讀寫磁頭的磁頭臂，由磁頭臂上兩個讀寫磁頭分別對磁盤片的上下兩面進(jìn)行讀寫。所以，磁盤上每個物理盤塊的位置可以由柱面號、磁頭號和扇區(qū)號表示。磁盤結(jié)構(gòu)如圖所示。348.4 文件存儲空間

15、管理文件存儲空間管理 文件存儲空間的管理 空閑塊的組織 空閑塊的分配 與空閑塊的回收 管理外存空間的方法 空閑文件目錄法、空閑鏈表法、位示圖法1.空閑文件目錄 空閑文件目錄法 把文件存儲設(shè)備中的空閑塊的塊號統(tǒng)一放在空閑區(qū)文件目錄中。 分配 組織 回收序號序號起始空閑塊號起始空閑塊號空閑塊個數(shù)空閑塊個數(shù)空閑空閑塊號塊號0323,4220320,21,222. 空閑塊鏈 空閑塊鏈把空閑塊以鏈表形式組織。 分配：當(dāng)申請者需要空閑塊時，分配程序從鏈頭開始摘取所需要的空閑塊，然后調(diào)整鏈?zhǔn)字羔槨?回收：把釋放的空閑塊插入鏈尾。3.位示圖法 用二進(jìn)制位（bit）表示物理塊是否被分配，每個bit代表一個物理塊

16、，1代表已分配，0代表空閑。 分配：找0位分配，并置為1 回收：將物理塊對應(yīng)的位（bit）置為037388.5 文件目錄管理文件目錄管理 文件目錄管理的功能 實(shí)現(xiàn)按名存取 存儲空間的有效利用 快速搜索 文件命名沖突 文件共享398.5.1文件的組成 文件包括兩部分 文件體 文件說明（ FCB文件控制塊） 基本信息 文件名 文件物理位置： 文件結(jié)構(gòu)：指示文件的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。 存取控制信息 使用信息408.5.2文件目錄文件目錄 文件目錄：一個文件的文件說明信息（FCB）稱為該文件的目錄。 分類：一級目錄、二級目錄和多級目錄 一級目錄 思想：把所有的文件都登記在一張目錄表中，按文件名查找目錄

17、得到文件存放的地址。 操作： 建立一個新文件時就在文件目錄中增加一個目錄項(xiàng)； 每當(dāng)刪去一個文件時就在文件目錄中刪去該文件的目錄項(xiàng)。41一級文件目錄示例42 二級文件目錄 第一級為系統(tǒng)目錄，也稱為主目錄(MFD)，它包含了用戶目錄名和指向該用戶目錄文件的指針；系統(tǒng)內(nèi)一張，按用戶分類。 第二級為用戶目錄(UFD)，它包含了該用戶所有文件的文件目錄項(xiàng)。43 多級文件目錄結(jié)構(gòu) 采用樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織。 文件的路徑名:由根目錄到該文件的路徑上所有目錄文件名和該文件的符號名組成，它是文件的外部標(biāo)識。 不在同一個子目錄下的文件允許同名。1432651413121110789448.5.3便于共享的文件目錄 實(shí)

18、現(xiàn)文件共享的方法 繞道法 鏈接法 基本文件目錄表4514314131211S：當(dāng)前目錄文件E：被共享文件與被共享文件所在路徑的交叉點(diǎn)1、繞道法使用繞道法進(jìn)行文件共享時，用戶從當(dāng)前目錄出發(fā)向上返回到與使用繞道法進(jìn)行文件共享時，用戶從當(dāng)前目錄出發(fā)向上返回到與所要共享文件所在路徑的交叉點(diǎn)，再順序下訪到共享文件。所要共享文件所在路徑的交叉點(diǎn)，再順序下訪到共享文件。2. 鏈接法將一個目錄中的鏈指針直接指向被共享文件所在的目錄。將一個目錄中的鏈指針直接指向被共享文件所在的目錄前目錄文件被共享文件3. 基本文件目錄表（BFD） 文件目錄的內(nèi)容分成兩部分： 基本文件目錄表（BFD）：

19、存放除文件名之外的其他信息。 如：結(jié)構(gòu)信息、物理塊號、存取控制和管理信息 符號文件目錄表（SFD）：存放文件名及內(nèi)部標(biāo)識符。 基本文件目錄表共享方法 建立索引表，內(nèi)部標(biāo)識ID為0； 建立空閑文件目錄表，內(nèi)部標(biāo)識ID為1； 主目錄MFD為根目錄，內(nèi)部標(biāo)識ID為2； 其余SFD、BFD內(nèi)部標(biāo)識ID從3開始依次分配。 例：尋找Zhang/Sub-d/w.c的過程主目錄（MFD）空閑文件目錄Wang的SFDZhang的SFDa.cw.c9Sub-d的SFD IDb.cf.cz.cw.c索引表SE：得到w.c物理地址508.5.4目錄管理 復(fù)習(xí)： 文件說明信息= =文件的目錄 對文件目錄的管理= =對文

20、件說明信息的管理。 通過目錄（文件說明信息），可以完成對文件的創(chuàng)建、檢索以及維護(hù)。51 問題： 存取文件效率低 目錄文件（文件說明信息）存放在外存，存取文件時，先要訪問目錄文件。需花費(fèi)大量時間進(jìn)行I/O操作，造成CPU浪費(fèi)，降低處理速度。 最佳解決辦法：將當(dāng)前正在使用的文件的目錄表（部分）復(fù)制到內(nèi)存。52 將目錄文件復(fù)制到內(nèi)存使用的操作 文件打開（fopen） 將目錄文件從內(nèi)存刪除使用的操作 文件關(guān)閉（fclose） 提供形式：系統(tǒng)調(diào)用538.6文件存取控制文件存取控制 文件的存取控制涉及到文件的共享、保護(hù)和保密。 文件的共享是指不同的用戶共同使用一個文件。 文件的保護(hù)則指文件本身需要防止文件

21、的擁有者或其他用戶破壞文件內(nèi)容。 文件保密是指未經(jīng)文件擁有者許可，任何用戶不得訪問該文件。 問題歸結(jié)： 用戶對文件的使用權(quán)限（讀、寫、執(zhí)行）的許可權(quán)問題。54 操作系統(tǒng)對于文件存取權(quán)限控制應(yīng)該作到以下幾點(diǎn)： 對于擁有讀、寫或執(zhí)行權(quán)限的用戶，應(yīng)該允許其對文件進(jìn)行相應(yīng)權(quán)限的操作。 對于不具備讀、寫或執(zhí)行權(quán)限的用戶，應(yīng)該禁止其對文件進(jìn)行相應(yīng)的操作。 應(yīng)該防止冒充其它用戶對文件進(jìn)行存取的行為。 應(yīng)該防止擁有存取權(quán)限的用戶誤用文件。55 操作系統(tǒng)提供的存取控制驗(yàn)證模塊分三步驗(yàn)證用戶的存取操作權(quán)限： 審定用戶的存取權(quán)限； 比較用戶權(quán)限的本次存取要求是否一致； 將存取要求與被訪問的文件的控制權(quán)限比較，看是否

22、有沖突。56 操作系統(tǒng)通過以下四種方法實(shí)現(xiàn)文件的存取控制： 方法一：存取控制矩陣 存取控制矩陣用一個二維表格描述不同文件針對不同用戶的存取控制權(quán)限，當(dāng)用戶向文件系統(tǒng)提出存取某個文件的要求時，由存取控制模塊根據(jù)該矩陣中的內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，匹配則允許，不匹配則拒絕。用用戶戶權(quán)權(quán)限限文文件件名名WangZhangLia.cRWEREEb.cRWRRWEx.cERWEE57例：Linux采用該方法，它將用戶分為三類：文件主、同組用戶和其它用戶，這樣，每個文件針對不同類型用戶的存取權(quán)限只需要9位二進(jìn)制位即可描述。用用戶戶文文件件名名文件主文件主A組組B組組其它其它a.cRWERWEEb.cRWERWRx.cREENone方法二：存取控制表存取控制表以文件為單位，將用戶按某種方式劃分為若干類，按類進(jìn)行存取控制權(quán)限的設(shè)定。58 方法三：口令 口令有兩種：一種用于設(shè)定用戶對計算機(jī)系統(tǒng)