(2024年)操作系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)第四章文件管理

操作系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)總結(jié)第四章文件管理12024/3/26CATALOGUE目錄文件管理概述文件結(jié)構(gòu)與組織文件目錄管理文件存儲(chǔ)空間管理文件共享與保護(hù)機(jī)制文件系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)中新型文件系統(tǒng)介紹22024/3/26文件管理概述0132024/3/26文件概念及作用文件定義文件是操作系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理的基本單位，通常是一組相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。文件作用文件在操作系統(tǒng)中扮演著重要角色，它們用于存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)、文檔等資源，支持用戶和系統(tǒng)之間的交互，以及實(shí)現(xiàn)不同程序之間的數(shù)據(jù)共享和通信。42024/3/26文件是文件系統(tǒng)中的基本組成單位，包含用戶數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)（如文件名、創(chuàng)建時(shí)間、訪問(wèn)權(quán)限等）。文件目錄是文件系統(tǒng)中的一種特殊文件，用于組織和存儲(chǔ)其他文件和目錄。通過(guò)目錄，用戶可以方便地組織和訪問(wèn)自己的文件。目錄/文件夾文件系統(tǒng)通常采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，以根目錄為起點(diǎn)，通過(guò)各級(jí)子目錄和文件構(gòu)成整個(gè)文件系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)有利于文件的管理和訪問(wèn)。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)組成52024/3/26文件操作常見(jiàn)的文件操作包括創(chuàng)建文件、打開(kāi)文件、讀/寫(xiě)文件、關(guān)閉文件和刪除文件等。這些操作通常由操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用或庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。文件訪問(wèn)方法文件的訪問(wèn)方法主要有順序訪問(wèn)、隨機(jī)訪問(wèn)和索引訪問(wèn)三種。順序訪問(wèn)按照文件的邏輯順序進(jìn)行讀寫(xiě)；隨機(jī)訪問(wèn)允許直接跳轉(zhuǎn)到文件的任意位置進(jìn)行讀寫(xiě)；索引訪問(wèn)則通過(guò)建立索引表來(lái)提高文件訪問(wèn)效率。文件保護(hù)與安全操作系統(tǒng)需要提供文件保護(hù)機(jī)制，以確保文件的完整性、保密性和可用性。這包括設(shè)置文件訪問(wèn)權(quán)限、采用加密技術(shù)等手段。同時(shí)，為了防止數(shù)據(jù)丟失，還需要實(shí)現(xiàn)文件的備份和恢復(fù)功能。文件操作與訪問(wèn)方法62024/3/26文件結(jié)構(gòu)與組織0272024/3/26指用戶所看到的文件組織形式，包括流式文件和記錄式文件兩種。流式文件以字節(jié)為單位進(jìn)行組織，而記錄式文件則以記錄為單位進(jìn)行組織。指文件在存儲(chǔ)設(shè)備上的存放方法，與存儲(chǔ)設(shè)備的物理特性有關(guān)。常見(jiàn)的物理結(jié)構(gòu)有連續(xù)文件、串聯(lián)文件和索引文件等。邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)82024/3/26文件中的記錄按照某種順序進(jìn)行排列，通常是按照記錄的鍵值進(jìn)行排序。順序文件的優(yōu)點(diǎn)是訪問(wèn)速度快，適用于進(jìn)行大量的順序訪問(wèn)操作。順序文件為文件中的每個(gè)記錄或一組記錄建立一個(gè)索引項(xiàng)，通過(guò)索引項(xiàng)可以快速地定位到相應(yīng)的記錄。索引文件的優(yōu)點(diǎn)是支持隨機(jī)訪問(wèn)和快速查找，但需要維護(hù)索引表，增加了存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷。索引文件順序文件與索引文件92024/3/26散列文件利用散列函數(shù)將記錄的鍵值映射到存儲(chǔ)設(shè)備上的某個(gè)位置，然后通過(guò)直接訪問(wèn)該位置來(lái)讀取或?qū)懭胗涗?。散列文件的?yōu)點(diǎn)是訪問(wèn)速度快，適用于進(jìn)行大量的隨機(jī)訪問(wèn)操作。鏈?zhǔn)轿募⑽募械挠涗涙準(zhǔn)降劓溄釉谝黄?，每個(gè)記錄都包含指向下一個(gè)記錄的指針。鏈?zhǔn)轿募膬?yōu)點(diǎn)是可以動(dòng)態(tài)地分配存儲(chǔ)空間，適用于記錄大小不固定或需要頻繁插入和刪除記錄的情況。但鏈?zhǔn)轿募脑L問(wèn)速度較慢，需要遍歷鏈表才能找到目標(biāo)記錄。散列文件與鏈?zhǔn)轿募?02024/3/26文件目錄管理03112024/3/26123所有文件都放在根目錄下，查找速度快，但不利于文件管理和保護(hù)。單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)按用戶分組，每個(gè)用戶有一個(gè)自己的目錄，解決了文件重名問(wèn)題，但不同用戶間文件共享不便。兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)在兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，允許用戶進(jìn)一步細(xì)分自己的目錄，便于文件分類和管理，提高了文件系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性。多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)（樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)）目錄結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)122024/3/26遍歷目錄樹(shù)按照一定規(guī)則遍歷整個(gè)目錄樹(shù)，可用于文件搜索、備份等操作。列出目錄內(nèi)容顯示指定目錄下的文件和子目錄列表。更改目錄改變當(dāng)前工作目錄，將新目錄設(shè)置為當(dāng)前目錄。創(chuàng)建目錄在用戶指定位置創(chuàng)建一個(gè)新目錄，分配相應(yīng)的存儲(chǔ)空間。刪除目錄刪除指定目錄及其下所有文件和子目錄，釋放相應(yīng)存儲(chǔ)空間。目錄操作與實(shí)現(xiàn)方法132024/3/26目錄安全性與保護(hù)機(jī)制訪問(wèn)控制通過(guò)用戶身份驗(yàn)證和權(quán)限控制，限制用戶對(duì)目錄和文件的訪問(wèn)和操作。加密保護(hù)對(duì)敏感文件和目錄進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中的安全性。日志記錄記錄用戶對(duì)目錄和文件的操作歷史，便于事后審計(jì)和故障排查。備份與恢復(fù)定期對(duì)重要文件和目錄進(jìn)行備份，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。同時(shí)提供數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制，確保在發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)。142024/3/26文件存儲(chǔ)空間管理04152024/3/26利用二進(jìn)制位串表示存儲(chǔ)空間的使用情況，0表示空閑，1表示占用。通過(guò)位運(yùn)算實(shí)現(xiàn)空閑塊的分配和回收。位示圖法系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)空閑塊鏈表，鏈表中每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)空閑塊。分配空閑塊時(shí)從鏈表頭部取出一個(gè)節(jié)點(diǎn)，回收空閑塊時(shí)將節(jié)點(diǎn)插入鏈表頭部?？臻e塊表法將空閑塊分組，每組的第一塊登記了下一組空閑塊的物理地址。分配空閑塊時(shí)從第一組開(kāi)始查找，回收空閑塊時(shí)將其歸入所屬組，并修改相應(yīng)登記項(xiàng)?？臻e塊成組鏈接法空閑空間管理方法162024/3/26連續(xù)分配策略為每個(gè)文件分配一組連續(xù)的物理塊。適用于順序訪問(wèn)的文件，但容易產(chǎn)生外部碎片，且文件動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)時(shí)不易處理。鏈接分配策略將文件分散到多個(gè)不連續(xù)的物理塊中，通過(guò)指針鏈接。消除了外部碎片，但訪問(wèn)效率較低，且指針本身占用存儲(chǔ)空間。索引分配策略系統(tǒng)為每個(gè)文件分配一個(gè)索引表，索引表中的每個(gè)表項(xiàng)指向一個(gè)物理塊。支持文件動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)和高效隨機(jī)訪問(wèn)，但需要額外的索引表存儲(chǔ)空間。存儲(chǔ)空間分配策略172024/3/26數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)利用數(shù)據(jù)冗余性進(jìn)行壓縮，減少存儲(chǔ)空間占用。適用于文本、圖像、音頻等文件類型。自動(dòng)精簡(jiǎn)配置技術(shù)根據(jù)實(shí)際需求動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間，避免浪費(fèi)。適用于虛擬機(jī)、容器等場(chǎng)景。數(shù)據(jù)去重技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸或存儲(chǔ)前進(jìn)行去重處理，減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸、云存儲(chǔ)等場(chǎng)景。重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)通過(guò)識(shí)別并刪除重復(fù)數(shù)據(jù)來(lái)減少存儲(chǔ)空間占用。適用于備份、歸檔等場(chǎng)景。外存空間利用優(yōu)化技術(shù)182024/3/26文件共享與保護(hù)機(jī)制05192024/3/26利用符號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)文件共享通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)包含共享文件路徑的符號(hào)鏈（symboliclink），使得多個(gè)用戶可以通過(guò)該符號(hào)鏈訪問(wèn)共享文件?；诜植际轿募到y(tǒng)的共享方式在分布式文件系統(tǒng)中，文件被存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)這些節(jié)點(diǎn)上的文件，實(shí)現(xiàn)文件共享?；谒饕Y(jié)點(diǎn)的共享方式利用索引結(jié)點(diǎn)（i-node）實(shí)現(xiàn)文件共享，多個(gè)用戶可以通過(guò)不同的文件名或路徑訪問(wèn)同一索引結(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)文件共享。文件共享方式及實(shí)現(xiàn)方法202024/3/26文件訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置與檢查在操作系統(tǒng)中，可以為每個(gè)文件和目錄設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限，包括讀權(quán)限、寫(xiě)權(quán)限和執(zhí)行權(quán)限。這些權(quán)限可以針對(duì)不同的用戶或用戶組進(jìn)行設(shè)置。訪問(wèn)權(quán)限檢查當(dāng)用戶嘗試訪問(wèn)某個(gè)文件時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)檢查該用戶是否具有相應(yīng)的訪問(wèn)權(quán)限。如果用戶沒(méi)有相應(yīng)的權(quán)限，則會(huì)被拒絕訪問(wèn)。特殊權(quán)限處理除了基本的讀、寫(xiě)和執(zhí)行權(quán)限外，還有一些特殊的權(quán)限，如設(shè)置粘滯位（stickybit）或設(shè)置setuid/setgid位等，這些權(quán)限可以影響文件的訪問(wèn)和執(zhí)行方式。訪問(wèn)權(quán)限設(shè)置212024/3/26事務(wù)處理日志記錄備份與恢復(fù)并發(fā)控制數(shù)據(jù)一致性保障措施對(duì)文件的修改操作進(jìn)行日志記錄，以便在發(fā)生故障時(shí)可以恢復(fù)到一致的狀態(tài)。定期對(duì)重要文件進(jìn)行備份，并在必要時(shí)進(jìn)行恢復(fù)，以確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。采用適當(dāng)?shù)牟l(fā)控制機(jī)制，如鎖機(jī)制或時(shí)間戳等，以避免多個(gè)用戶對(duì)同一文件進(jìn)行同時(shí)修改而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的情況。通過(guò)引入事務(wù)機(jī)制，確保對(duì)文件的修改要么全部完成，要么全部不完成，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。222024/3/26文件系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)06232024/3/26緩沖區(qū)的類型根據(jù)使用方式不同，緩沖區(qū)可分為單緩沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖和緩沖池等類型。緩沖區(qū)的管理策略包括緩沖區(qū)的分配、回收、置換等策略，以及緩沖區(qū)與磁盤、CPU之間的同步和互斥等問(wèn)題。緩沖區(qū)的引入在內(nèi)存中劃分出一塊區(qū)域作為緩沖區(qū)，用于暫存從磁盤讀入的數(shù)據(jù)或?qū)懭氪疟P的數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)管理技術(shù)242024/3/26先來(lái)先服務(wù)（FCFS）算法按照請(qǐng)求到達(dá)的順序進(jìn)行服務(wù)，簡(jiǎn)單公平但效率不高。優(yōu)先選擇距離當(dāng)前磁頭位置最近的請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)，能夠減少磁頭移動(dòng)距離，提高效率。磁頭按照一個(gè)方向移動(dòng)，服務(wù)途中遇到的請(qǐng)求，直到到達(dá)該方向盡頭后返回，途中繼續(xù)服務(wù)請(qǐng)求。在SCAN算法基礎(chǔ)上改進(jìn)，磁頭到達(dá)盡頭后不再返回，而是繼續(xù)向另一方向移動(dòng)，直到所有請(qǐng)求都被服務(wù)。最短尋道時(shí)間優(yōu)先（SSTF）算法掃描（SCAN）算法循環(huán)掃描（CSCAN）算法磁盤調(diào)度算法改進(jìn)252024/3/26直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）技術(shù)可以讓I/O設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，減少CPU的干預(yù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。DMA技術(shù)在內(nèi)存中設(shè)置高速緩存區(qū)用于存放頻繁訪問(wèn)的數(shù)據(jù)，可以減少對(duì)磁盤的訪問(wèn)次數(shù)，提高I/O性能。高速緩存技術(shù)采用中斷處理方式可以讓CPU在I/O操作期間執(zhí)行其他任務(wù)，實(shí)現(xiàn)并發(fā)操作，提高系統(tǒng)整體效率。中斷處理引入I/O通道可以進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，實(shí)現(xiàn)I/O操作的并行處理，提高I/O性能。I/O通道技術(shù)I/O性能提升策略262024/3/26現(xiàn)代操作系統(tǒng)中新型文件系統(tǒng)介紹07272024/3/26VS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）是一種分布式文件系統(tǒng)協(xié)議，允許計(jì)算機(jī)客戶端遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器上的文件。NFS基于客戶端-服務(wù)器架構(gòu)，客戶端通過(guò)掛載遠(yuǎn)程服務(wù)器上的文件系統(tǒng)，可以像訪問(wèn)本地文件一樣訪問(wèn)遠(yuǎn)程文件。應(yīng)用場(chǎng)景NFS廣泛應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)文件共享和協(xié)作。例如，多個(gè)部門或團(tuán)隊(duì)可以共享同一份文檔或數(shù)據(jù)，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作效率。同時(shí)，NFS也支持跨平臺(tái)文件訪問(wèn)，使得不同操作系統(tǒng)之間的文件共享成為可能。原理網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）原理及應(yīng)用場(chǎng)景282024/3/26分布式文件系統(tǒng)（DFS）原理及應(yīng)用場(chǎng)景分布式文件系統(tǒng)（DFS）是一種允許多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享文件和存儲(chǔ)資源的文件系統(tǒng)。DFS采用分布式架構(gòu)，將數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，提供統(tǒng)一的命名空間和文件訪問(wèn)接口。原理DFS適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和高并發(fā)訪問(wèn)場(chǎng)景。例如，云計(jì)算平臺(tái)、大數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)、在線視頻服務(wù)等。通過(guò)DFS，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)、負(fù)載均衡、容錯(cuò)和可擴(kuò)展性等功能。應(yīng)用場(chǎng)景292024/3/26對(duì)象存儲(chǔ)是