第6章 文件管理

第6章文件管理6.1文件與文件系統(tǒng)

6.2文件結(jié)構(gòu)與存儲設備

6.3文件目錄管理

6.4文件存儲空間管理6.5文件的共享

6.6文件系統(tǒng)實例分析

3/9/2023第6章文件管理6.1文件和文件系統(tǒng)6.1.1文件的概念1、文件的定義文件是計算機系統(tǒng)中信息存放的一種組織形式，下面給出兩種具有代表性的解釋:文件是賦名的信息(數(shù)據(jù))項的集合。文件是賦名的、有關(guān)聯(lián)的信息單位(記錄)的集合。3/9/2023第6章文件管理前者說明文件是由字節(jié)組成，這是一種無結(jié)構(gòu)的文件，或稱流式文件。目前UNIX操作系統(tǒng)，MS-DOS系統(tǒng)均采用這種文件形式。后者說明文件是由記錄組成。而記錄則是由一組相關(guān)信息項組成。例如每個學生的登記表可視為一個記錄，它包括學生姓名，出生年月，性別，籍貫等信息項。所有學生登記表組成一個學生文件。這兩種解釋定義了兩種文件形式：定義：文件是指可保存的、具有標識名的一組邏輯上具有完整意義的信息集合。3/9/2023第6章文件管理2、文件的屬性用一組信息指定文件的類型、大小、創(chuàng)建時間、操作特性和存取保護等，把這組信息稱為文件的屬性。文件的屬性一般存放在文件的目錄項中。3/9/2023第6章文件管理6.1.2文件的類型●系統(tǒng)文件:指用操作系統(tǒng)的執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)組成的文件，這種文件不對用戶開放，僅供系統(tǒng)使用?！駧煳募菏侵赶到y(tǒng)為用戶提供的各種標準函數(shù)，標準過程和實用程序等。用戶只能使用這些文件，而無權(quán)對其進行修改。●用戶文件:由用戶的信息組成的文件，如源程序文件，數(shù)據(jù)文件等。這種文件的使用和修改權(quán)均屬于用戶。

1、以文件的性質(zhì)和用途分類3/9/2023第6章文件管理●只讀文件:只允許進行讀操作。●讀寫文件:允許進行讀寫操作?！駡?zhí)行文件:允許執(zhí)行。

2、從按文件的存取控制屬性分類3、按文件的組織形式分類

●普通文件:指一般的用戶文件和系統(tǒng)文件。

●目錄文件:指由文件目錄項組成的文件。

●特別文件:有的系統(tǒng)把設備作為文件統(tǒng)一管理和使用，并為區(qū)別起見，把設備稱為特別文件。3/9/2023第6章文件管理6.1.3文件的操作

1．建立文件2．打開文件

3．讀文件

4．寫文件

5．關(guān)閉文件6．刪除文件

7．文件指針定位3/9/2023第6章文件管理6.1.4文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)中負責管理文件的機構(gòu)稱為文件系統(tǒng)。也有的文獻上叫信息系統(tǒng)。文件系統(tǒng)負責文件的創(chuàng)立、撤消、讀寫、修改、復制和存取控制等，并管理存放文件的各種資源。

3/9/2023第6章文件管理6.2文件結(jié)構(gòu)與存儲設備

研究文件結(jié)構(gòu)有兩種觀點：

●用戶的觀點（文件的邏輯結(jié)構(gòu)）：主要研究用戶思維中的抽象文件，為用戶提供一種邏輯結(jié)構(gòu)清晰、使用簡便的邏輯文件。用戶將按這種形式去存取、檢索和加工文件。例如用戶可將文件看作字節(jié)的集合?；蛘哂脩魧⑽募醋饔涗浀募?。6.2.1概述3/9/2023第6章文件管理●實現(xiàn)的觀點（文件的物理結(jié)構(gòu)）：主要研究駐留在存儲介質(zhì)上的文件的結(jié)構(gòu)。文件的物理結(jié)構(gòu)：文件的各個字節(jié)在存儲介質(zhì)上是如何擺放的。3/9/2023第6章文件管理6.2.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)

●流式文件:基本信息單位是字節(jié)或字，其長度是所含字節(jié)的數(shù)量。這種文件的優(yōu)點是節(jié)省存儲空間。在這種文件中無需額外的說明和控制信息。

●記錄式文件:記錄式文件是一種結(jié)構(gòu)文件。由若干個記錄組成，文件中的記錄可按順序編號為記錄1，記錄2，……，記錄n。如果文件中所有記錄的長度相等，則稱為定長記錄文件，文件的長度為記錄個數(shù)與記錄長度的積。若文件中的記錄長度不相等，則稱為變長記錄文件。文件長度為所有記錄長度之和。1.邏輯結(jié)構(gòu)3/9/2023第6章文件管理2.文件的存取方法●順序存取:嚴格按文件信息單位排列的順序依次存取。當打開文件時，文件的存取指針指向第一個信息單位，如第一個字節(jié)或第一個記錄，每存取一個信息單位存取指針加1指向下一個信息單位，如此類推。3/9/2023第6章文件管理●按鍵存?。焊鶕?jù)記錄中的關(guān)鍵字的值進行存取。常用于記錄式文件中?！耠S機存取：也稱直接存取，每次存取操作時必須先確定存取的位置。對流式文件或定長記錄的文件比較容易確定存取位置。對不定長的記錄式文件比較麻煩。解決的方法是建立索引。文件的索引可以作為文件的一部分，也可以單獨建立索引文件。3/9/2023第6章文件管理6.2.3文件的物理結(jié)構(gòu)文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件鏈接結(jié)構(gòu)、索引結(jié)構(gòu)。1.連續(xù)結(jié)構(gòu)：一個在物理存儲介質(zhì)上的結(jié)構(gòu)。有三種結(jié)構(gòu)：連續(xù)結(jié)構(gòu)、文件的全部信息存放在外存的一片連續(xù)編號的物理塊中，這種結(jié)構(gòu)稱為連續(xù)結(jié)構(gòu)，或稱連續(xù)文件。存放在磁帶上的文件一般采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，即序號為i+1的物理塊一定在i物理塊之后。而存放在磁盤上的文件則可采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，也可采用別的結(jié)構(gòu)。建立連續(xù)文件時要求用戶給出文件的最大長度，以便系統(tǒng)為文件分配足夠的存儲空間，并在相應表格中登記文件的起始位置和長度。3/9/2023第6章文件管理連續(xù)文件結(jié)構(gòu)優(yōu)點：簡單；支持順序存取和隨機存?。豁樞虼嫒∷俣瓤?，所需的磁盤尋道次數(shù)和尋道時間最少；缺點：文件不易動態(tài)增長，預留空間浪費；不利于文件插入和刪除；存在外部碎片問題；3/9/2023第6章文件管理2.串聯(lián)結(jié)構(gòu)也稱鏈接結(jié)構(gòu)。這是一種非連續(xù)的結(jié)構(gòu)，存放文件信息的每一物理塊中有一個指針，指向下一個物理塊，這個指針的長度由物理設備的容量決定，通常放在該物理塊的開頭或結(jié)尾。3/9/2023第6章文件管理串聯(lián)結(jié)構(gòu)的文件適用于順序存取。因為要獲得某一塊的塊號，必須讀取上一物理塊，因此要隨機地存取信息就較為困難。優(yōu)點：提高了磁盤空間利用率,不存在外部碎片問題有利于文件插入和刪除有利于文件動態(tài)擴充缺點：存取速度慢，不適于隨機存取鏈接指針占用一定的空間可靠性問題，如指針出錯3/9/2023第6章文件管理串聯(lián)結(jié)構(gòu)的變形（顯式鏈接）

將盤塊中的鏈接字按盤塊號的順序集中起來，構(gòu)成盤文件映射表/文件分配表（FAT)。利用FAT可方便地進行隨機存取。3/9/2023第6章文件管理FAT也要占用一定的存儲空間，若盤的容量較大，也可能占用較多的存儲空間。在進行文件訪問時，可能在內(nèi)存中裝不下整個FAT，這樣就會造成若要讀某塊文件信息時，還要讀盤塊映射表的操作，影響使用效率。在MS-DOS和Windows系統(tǒng)中，文件的物理結(jié)構(gòu)使用的是FAT結(jié)構(gòu)。將磁盤空間劃分為塊，每塊大小為扇區(qū)的整數(shù)倍。在FAT文件系統(tǒng)中塊稱為簇。一個磁盤分區(qū)能分為多少簇則FAT就有多少表項3/9/2023第6章文件管理課堂討論1、什么叫FAT16、FAT32？2、在FAT16中一簇最大64個扇區(qū)，為什么FAT16能管理的磁盤分區(qū)為2G？3、FAT32同F(xiàn)AT16相比有什么優(yōu)點？4、對于FAT16文件系統(tǒng)，若一個磁盤分區(qū)的大小為512M，問一個簇最少要為多少個扇區(qū)？5、簇是大點好，還是小點好？3/9/2023第6章文件管理3.索引結(jié)構(gòu)一個文件的信息存放在若干不連續(xù)物理塊中，系統(tǒng)為每個文件建立一個專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)－索引表，并將這些塊的塊號存放在索引表中。一個索引表就是磁盤塊地址數(shù)組,其中第i個條目指向文件的第i塊。3/9/2023第6章文件管理優(yōu)點：●保持了鏈接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，又解決了其缺點，能順序存取，又能隨機存??；●滿足了文件動態(tài)增長、插入刪除的要求；●能充分利用外存空間；缺點：●索引表本身帶來了系統(tǒng)開銷，如：內(nèi)外存空間，存取時間開銷等；當索引表本身很大時，可考慮建立多級索引3/9/2023第6章文件管理3/9/2023第6章文件管理4.混合索引結(jié)構(gòu)：3/9/2023第6章文件管理(1)直接地址為了提高對文件的檢索速度，在索引節(jié)點中可設置10個直接地址項，即用iaddr(0)~iaddr(9)來存放直接地址。換言之，在這里的每項中所存放的是該文件數(shù)據(jù)的盤塊的盤塊號。假如每個盤塊的大小為4KB，當文件不大于40KB時，便可直接從索引結(jié)點中讀出該文件的全部盤塊號。3/9/2023第6章文件管理(2)一次間接地址對于大、中型文件，只采用直接地址是不現(xiàn)實的。為此，可再利用索引節(jié)點中的地址項iaddr(10)來提供一次間接地址。這種方式的實質(zhì)就是一級索引分配方式。圖中的一次間址塊也就是索引塊，系統(tǒng)將分配給文件的多個盤塊號記入其中。在一次間址塊中可存放1K個盤塊號，因而允許文件長達4MB。3/9/2023第6章文件管理(3)多次間接地址當文件長度大于4MB+40KB時(一次間址與10個直接地址項)，系統(tǒng)還須采用二次間址分配方式。這時，用地址項iaddr(11)提供二次間接地址。該方式的實質(zhì)是兩級索引分配方式。系統(tǒng)此時是在二次間址塊中記入所有一次間址塊的盤號。在采用二次間址方式時，文件最大長度可達4GB。同理，地址項iaddr(12)作為三次間接地址，其所允許的文件最大長度可達4TB。3/9/2023第6章文件管理6.2.4文件的存儲設備1、存儲設備類型

主要有磁帶、磁盤、光盤、閃存（U盤）等。

其中，磁帶屬于順序存取設備，只能存儲連續(xù)文件；而磁盤、光盤等為直接存取設備，可存儲任何格式的文件，對文件既能順序存取，又能隨機存取。3/9/2023第6章文件管理2、磁盤柱面扇區(qū)磁臂磁頭3/9/2023第6章文件管理磁盤的訪問過程由三個動作組成：●尋道：磁頭移動定位到指定磁道●旋轉(zhuǎn)延遲：等待指定扇區(qū)從磁頭下旋轉(zhuǎn)經(jīng)過●數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實際傳輸磁盤的訪問時間●尋道時間Ts：大約幾ms到幾十ms●旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr：對于7200轉(zhuǎn)/分，平均延遲時間為4.2ms●數(shù)據(jù)傳輸時間Tt：目前磁盤的傳輸速度一般有幾十M/s，傳輸一個扇區(qū)的時間小于0.05ms3/9/2023第6章文件管理3、磁盤驅(qū)動調(diào)度（1）先來先服務算法（FCFS)

按訪問請求到達的先后次序服務。

●優(yōu)點：簡單，公平；

●缺點：效率不高，相鄰兩次請求可能會造成最內(nèi)到最外的柱面尋道，使磁頭反復移動，增加了服務時間，對機械也不利；3/9/2023第6章文件管理（2）最短尋道時間優(yōu)先（SSTF)

優(yōu)先選擇距當前磁頭最近的訪問請求進行服務，即跨越的磁道數(shù)最少的優(yōu)先?！駜?yōu)點：改善了磁盤平均服務時間；●缺點：造成某些訪問請求長期等待得不到服務3/9/2023第6章文件管理（3）掃描算法（SCAN)也稱為電梯調(diào)度算法克服了最短尋道優(yōu)先的缺點，既考慮了距離，同時又考慮了方向。具體做法：依次為與當前磁頭移動方向一致的訪問請求服務，當該方向上已沒有訪問請求時，則改變移動方向，并為經(jīng)過的訪問請求服務，如此反復。3/9/2023第6章文件管理（4）循環(huán)掃描算法（CSCAN)

掃描時一律從0道開始，直到最大磁道號，然后立刻返回至0，重新進行掃描，依次反復。3/9/2023第6章文件管理【例】假設磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67。在訪問了64道后，磁頭目前正在53道上訪問。當分別采用FCFS、SSTF和SCAN算法時磁頭的服務序列以及磁頭移動總距離（道數(shù)）。3/9/2023第6章文件管理（1）采用FCFS98，183，37，122，14，124，65，67磁頭走過的總道數(shù)：6403/9/2023第6章文件管理65，67，37，14，98，122，124，183磁頭走過的總道數(shù)：236（2）采用SSTF3/9/2023第6章文件管理（3）采用SCAN37，14，65，67，98，122，124，183磁頭走過的總道數(shù)：2083/9/2023第6章文件管理（4）采用CSCAN3/9/2023第6章文件管理6.3文件目錄管理對文件目錄管理的要求如下：實現(xiàn)“按名存取”。(2)提高對目錄的檢索速度。(3)文件共享。(4)允許文件重名。3/9/2023第6章文件管理6.3.1目錄項和索引節(jié)點1、目錄項：目錄項是操作系統(tǒng)為管理文件而設置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了為管理文件所需的所有有關(guān)信息。所有的目錄項就構(gòu)成了文件目錄。（1）基本信息類

①文件名；②文件物理位置；③文件邏輯結(jié)構(gòu)；④文件的物理結(jié)構(gòu)（2）存取控制信息類

（3）使用信息類MS-DOS中的目錄項3/9/2023第6章文件管理2.索引節(jié)點1)索引節(jié)點的引入文件名索引節(jié)點編號文件名110文件名211UNIX/Linux的文件目錄3/9/2023第6章文件管理2)磁盤索引節(jié)點文件主標識符文件類型(3)文件存取權(quán)限(4)文件物理地址(5)文件長度(6)文件連接計數(shù)(7)文件存取時間3/9/2023第6章文件管理3)內(nèi)存索引節(jié)點(1)索引節(jié)點編號。用于標識內(nèi)存索引節(jié)點。(2)狀態(tài)。指示i節(jié)點是否上鎖或被修改。(3)訪問計數(shù)。每當有一進程要訪問此i節(jié)點時，將該訪問計數(shù)加1，訪問完再減1。(4)文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設備號。(5)鏈接指針。設置有分別指向空閑鏈表和散列隊列的指針。3/9/2023第6章文件管理6.3.2目錄結(jié)構(gòu)1.單級目錄結(jié)構(gòu)文件名物理地址文件說明狀態(tài)位文件名1文件名23/9/2023第6章文件管理二級文件目錄結(jié)構(gòu)把目錄分成主目錄和用戶文件目錄兩級。主目錄由用戶名和用戶文件目錄首地址組成，用戶文件目錄中登記相應的用戶文件的目錄項。2.二級目錄優(yōu)點：二級目錄結(jié)構(gòu)較為簡單，也比較好地解決了重名的問題。缺點：缺乏靈活性，特別是不能反映現(xiàn)實世界中多層次的關(guān)系。3/9/2023第6章文件管理3/9/2023第6章文件管理多級目錄結(jié)構(gòu)由根目錄和各級目錄組成，為管理上的方便，除根目錄外，其它各級目錄均以文件的形式組成目錄文件。根目錄中的每個目錄項可以對應一個目錄文件，也可以對應一個數(shù)據(jù)文件，同樣目錄文件中的每個目錄項可以對應一個目錄文件。也可以對應一個數(shù)據(jù)文件。如此類推，就形成多級目錄結(jié)構(gòu)。也稱樹形目錄結(jié)構(gòu)3.多級目錄結(jié)構(gòu)3/9/2023第6章文件管理3/9/2023第6章文件管理6.4文件存儲空間管理6.4.1空閑文件目錄序號第一空閑塊號空閑塊數(shù)12429331554——也稱為空閑表3/9/2023第6章文件管理6.4.2空閑塊鏈根據(jù)指針是否在空閑塊中，又有隱式和顯式之分。6.4.3位示圖3/9/2023第6章文件管理1.盤塊的分配(1)順序掃描位示圖，從中找出一個或一組其值為“0”的二進制位(“0”表示空閑時)。(2)將所找到的一個或一組二進制位，轉(zhuǎn)換成與之相應的盤塊號。假定找到的其值為“0”的二進制位，位于位示的第i行、第j列，則其相應的盤塊號應按下式計算：b=n(i-1)+j式中，n代表每行的位數(shù)。(3)修改位示圖，令map［i,j］=1。3/9/2023第6章文件管理2.盤塊的回收(1)將回收盤塊的盤塊號轉(zhuǎn)換成位示圖中的行號和列號。轉(zhuǎn)換公式為：

i=(b-1)DIVn+1j=(b-1)MODn+1(2)修改位示圖。令map［i,j］=1。3/9/2023第6章文件管理6.4.4成組鏈接法3/9/2023第6章文件管理6.5文件的共享、控制和保密6.5.1文件的共享1、繞道法2、公共目錄法3、符號鏈接法4、授權(quán)法5、基于索引節(jié)點的共享方式3/9/2023第6章文件管理6.5.2文件的存取控制1、存取控制矩陣3/9/2023第6章文件管理2、存取控制表存取控制矩陣由于太大而往往無法實現(xiàn)。一個改進的辦法是按用戶對文件的訪問權(quán)限