第四章 文件管理

第四章 文件管理

4.1 初始文件管理

4.1.1 文件的屬性

文件名：由創建文件的用戶決定文件名，主要是爲了方便用戶找到文件，同一目錄下不允許有重名文件。

標識符：一個系統內的各文件標識符唯一，對用戶來說毫無可讀性，因此標識符只是操作系統用於區分各個文件的一種內部名稱。

類型：指明文件的類型

位置：文件存放的路徑、在外存中的地址

大小：指明文件大小、創建時間，上次修改時間

保護信息：對文件進行的保護的訪問控制信息

4.1.2 文件內部

無結構文件：由一些二進制或字符流組成，又稱流式文件

有結構文件：由一組相似的記錄組成，又稱記錄式文件

記錄是一組相關數據項的集合

數據項是文件系統中最基本的數據單位

4.1.3 文件之間

目錄起始也是一種特殊的有結構文件

用戶可用之間創建一層層的目錄。各層目錄中存放相應的文件

4.1.4 操作系統向上提供的功能

創建文件(create系統調用)、刪除文件(delete系統調用)、讀文件(read系統調用)、寫文件(write系統調用)、打開文件(open系統調用)、關閉文件(close系統調用)

4.1.5 文件在外存中的存放

操作系統以塊爲單位爲文件分配存儲空間。

外存也是由一個個存儲單元組成的，每個存儲單元可用存儲一定量的數據。每個存儲單元對應一個物理地址

4.1.6 其他功能

文件共享：使多個用戶可用共享使用一個文件

文件保護：如何保證不同的用戶對文件有不同的操作權限

4.2 文件的邏輯結構

4.2.1 無結構文件

無結構文件：文件內部的數據就是一系列二進制或字符流組成。

4.2.2 有結構文件

有結構文件：由一組相似的記錄組成，又稱記錄式文件。每條記錄有若干個數據項組成。每條記錄有一個數據項可作關鍵字

定長記錄：這個有結構文件由定長記錄組成，每條記錄的長度都相同。各數據項都處在記錄中相同的位置，具有相同的順序和長度

可變長記錄：這個有結構文件由可變長記錄組成，其中由長度不確定的數據項

順序文件

順序文件：文件中的記錄一個接一個地順序排列，記錄可以是定長的或可變長的。各個記錄在物理上可以順序存儲或鏈式存儲。

串結構：記錄之間的順序與關鍵字無關

順序結構：記錄之間的順序按關鍵字順序排列

索引文件

索引文件：建立一張索引表，每個記錄對應一個表項。各記錄不用保持順序，方便增加/刪除記錄

索引表本身是定長記錄的順序文件。

可將關鍵字作爲索引號內容，若按關鍵字順序排列，則還支持按照關鍵字拆半查找

索引順序文件：是索引文件和順序文件思想結合。同樣會爲文件建立一張索引表，但不同的是並不是每個記錄對應一個索引表項，而是一組記錄對應一個索引表項

多級索引順序文件

爲了進一步提高檢索效率，可以爲順序文件建立多級索引表。

4.3 文件目錄

4.3.1 文件控制塊

FCB的有序集合稱爲文件目錄，一個FCB就是一個文件目錄項。FCB中包含了文件的基本信息，存取控制信息、使用信息。最重要、最基本的還是文件名、文件存放的物理地址

搜索：當用戶要使用一個文件時，系統要根據文件名搜索目錄，找到該文件對應的目錄項

創建文件：創建一個新文件時，需要在其所屬的目錄中增加一個目錄項

刪除文件：當刪除一個文件時，需要在目錄中刪除相應的目錄項

顯示目錄：用戶可以請求顯示目錄的內容

修改目錄：某些文件屬性保存在目錄中，因此這些屬性變化時需要修改相應的目錄項

4.3.2 目錄結構

單級目錄結構

整個系統只建立一張目錄表，每個文件佔一個目錄項。

單級目錄實現了按名存取，但是不允許文件重名。

兩級目錄結構

分爲主文件目錄和用戶文件目錄

兩級目錄結構允許不同用戶的文件重名，也可以在目錄上實現訪問限制。但是兩級目錄結構依然缺乏靈活性，用戶不能對自己的文件進行分類

多級目錄結構

用戶(或用戶進程)要訪問某個文件時要用文件路徑名標識文件，文件路徑名是個字符串。各級目錄之間用“/”隔開。

從根目錄出發的路徑稱爲絕對路徑。

從當前目錄出發的路徑時相對路徑

無環圖目錄結構

在樹形目錄結構的基礎上，增加一些指向同一節點的有向邊，使整個目錄成爲一個有向無環圖

爲共享結點設置一個共享計數器，計數器爲0時才真正刪除該結點

4.3.3 索引結點

目錄項中只包含文件名、索引結點指針，因此每個目錄項的長度大幅減小

由於目錄項長度減小，因此每個磁盤塊可以存放更多個目錄項，因此檢索文件時磁盤I/O的次數就少了很多

4.4 文件的物理結構

在外存管理中，爲了方便對文件數據的管理，文件的邏輯地址空間也被分爲一個一個的文件塊

文件的邏輯地址也可以表示爲(邏輯塊號，塊內地址)的形式

4.4.1 連續分配

連續分配方式要求每個文件在磁盤上佔有一組連續的塊。

優點：支持順序訪問和直接訪問；連續分配的文件在順序訪問時速度最快

缺點：不方便文件拓展；存儲空間利用率低，會產生磁盤碎片

4.4.2 鏈接分配

鏈接分配採取離散分配的方式，可以爲文件分配離散的磁盤塊。分爲隱式鏈接和顯示鏈接。

隱式鏈接：除文件的最後一個盤塊之外，每個盤塊都存有指向下一個盤塊的指針。文件目錄包括文件第一塊的指針和最後一塊的指針。

優點：很方便文件拓展，不會有碎片問題，外存利用率高

缺點：只支持順序訪問，不支持隨機訪問，查找效率低，指向下一個盤塊的指針也需要消費少量的存儲空間。

顯示鏈接：把用於鏈接文件個物理塊的指針顯式地存放在一張表中，即文件分配表。一個磁盤只會建立一張文件分配表。開機時文件分配表存入內存，並常駐內存。

優點：很方便文件拓展，不會有碎片問題，外存利用率高，並且支持隨機訪問。相比於隱式鏈接來說，地址轉換時不需要訪問磁盤，因此文件的訪問效率更高。

缺點：文件分配表需要佔用一定的存儲空間

4.4.3 索引分配

爲文件數據塊建立索引表，若文件太大，可採用鏈接方案、多層索引、混合索引。

鏈接方案：如果索引表太大，一個索引塊裝不下，可以將多個索引塊鏈接起來存放

多層索引：建立多層索引。使第一層索引塊指向第二層的索引塊，還可根據文件大小的要求再建立第三層、第四層索引塊。

混合索引：多種索引分配方式的結合

優點：支持隨機訪問，易於實現文件的拓展

缺點：索引表需佔用一定的存儲空間。

支持隨機訪問：採用這種邏輯結構的文件，可以根據記錄號直接算出該記錄對應的邏輯地址

4.5 文件存儲空間管理

4.5.1 存儲空間的劃分與初始化

存儲空間的劃分：將物理磁盤劃分爲一個個文件卷

存儲空間的初始化:將各個文件卷劃分爲目錄區、文件區

4.5.2 幾種管理方法

分配磁盤塊：爲一個文件分配連續的存儲空間

回收磁盤塊：當回收某個存儲區時需要由四種情況，回收時需要注意表項的合併問題

空閒表法

空閒表中記錄每個連續空閒區的起始盤塊號、盤塊數

分配時可採用首次適應、最佳適應等策略，回收時注意表項的合併問題

空閒鏈表法

空閒盤塊鏈

以盤塊爲單位組成一條空閒鏈

分配時從連頭異常取出空閒塊，回收時將空閒塊插到鏈尾

空閒盤區鏈

以盤區爲單位組成一條空閒鏈

分配時可採用首次適應、最佳適應等策略；回收時注意相鄰空閒盤區合併的問題

位示圖法

一個二進制位對應一個盤塊。(字號，位號)或(行號，列號)與盤塊號一一對應

成組鏈接法

UNIX採用的策略，適合大型文件系統

4.6 文件的基本操作

4.6.1 創建文件

分配外存空間，創建目錄項

4.6.2 刪除文件

回收外存空間，刪除目錄項

4.6.3 打開文件

將目錄項中的信息複製到內存中的打開文件表中，並將打開文件表的索引返回給用戶

打開文件之後，對文件的操作不再需要每次都查詢目錄，可以根據內存中的打開文件表進行操作

每個進程有最佳的打開文件表，系統中也有一張總的打開文件表

進程打開文件表特有的屬性：讀寫指針、訪問權限

系統打開文件表中特有的屬性：打開計數器

4.6.4 關閉文件

將進程打開文件表中的相應表項刪除

系統打開文件表的打開計時器減1，若打開計數器爲0，則刪除系統表的表項

4.6.5 讀文件

根據讀指針、讀入數據量、內存位置將文件數據從外存讀入內存

4.6.6 寫文件

根據寫指針，寫出數據量、內存位置將文件數據從內存寫入外存

4.7 文件共享

4.7.1 基於索引結點的共享方式(硬鏈接)

  1、各個用戶的目錄項指向同一個索引結點

  2、索引節點需要有鏈接計數count

  3、某用戶想刪除文件時，只是刪除該用戶的目錄項，且count–

  4、只有count==0時才能真正刪除文件數據和索引結點，否則會導致指針懸空

4.7.2 基於符號鏈的共享方式(軟鏈接)

  1、在一個Link型的文件中記錄共享文件的存放路徑

  2、操作系統根據路徑一層層查找目錄，最終找到共享文件

  3、即使軟鏈接指向的共享文件已被刪除，Link型文件依然存在，只是通過Link型文件中的路徑區查找共享文件會失敗

  4、由於用軟鏈接的方式訪問共享文件時要查詢多級目錄，會有多次磁盤I/O,因此用軟鏈接訪問文件的速度要比硬鏈接更慢

4.8 文件保護

4.8.1 口令保護

  1、爲文件設置一個口令，用戶想要訪問文件時需要提供口令，由系統驗證口令是否正確

  2、實現開銷小，但口令一般存放在FCB或索引結點中，因此不太安全

4.8.2 加密保護

  1、用一個密碼對文件加密，用戶想要訪問文件時，需要提供相同的密碼才能正確的解密

  2、安全性高，但加密/解密需要耗費一定的時間

4.8.3 訪問控制

  1、用一個訪問控制表(ACL)記錄各個用戶對文件的訪問權限

  2、對文件的訪問類型可以分爲：讀/寫/執行/刪除等

  3、實現靈活，可以實現複雜的文件保護功能

4.9 文件系統的層次結構

  1、用戶需要通過操作系統提供的接口發出請求——用戶接口

  2、由於用戶提供的是文件的存放路徑，因此需要操作系統一層一層地查找目錄，找到對應的目錄項——文件目錄系統

  3、不同的用戶對文件有不同的操作權限，因此爲了保證安全，需要檢查用戶是否有訪問權限——存取控制模塊(存取控制驗證層)

  4、驗證了用戶的訪問權限之後，需要把用戶提供的記錄號轉變爲對應的邏輯地址——邏輯文件系統與文件信息緩衝區

  5、知道了目標記錄對應的邏輯地址後，還需要轉換稱實際的物理地址——物理文件系統

  6、要刪除這條記錄，必定要對磁盤設備發出請求——設備管理程序模塊

  7、刪除這些記錄後，會有一些盤塊空閒，因此要將這些空閒盤塊回收——輔助分配模塊

4.10 磁盤的結構

4.11 磁盤調度算法

4.11.1 一次磁盤讀寫操作需要的時間

尋道(尋找)時間Ts：在讀/寫數據前，將磁頭移動道指定磁道所花的時間

延遲時間TR:通過旋轉磁道，使磁頭定位道目標扇區所需要的時間

傳輸時間Tt：從磁盤讀出或向磁盤寫入數據所經歷的時間

4.11.2 磁盤調度算法

先來先服務算法(FCFS)：根據進程請求訪問磁盤的先後順序進程調度

優點：公平；如果請求訪問的磁道比較集中的話，算法性能還算過得去

缺點：如果有大量進程競爭使用磁盤，請求訪問的磁道很分散，則FCFS在性能上很差，尋道時間長

最短尋找時間優先(SSTF)：會優先處理的磁盤是與當前磁頭最近的磁道。可以保證每次的尋道時間最短，但是並不能保證總的尋道時間最短。

優點：性能較好，平均尋道時間短

缺點：可能產生飢餓現象

掃描算法(SCAN)：只有磁頭移動道最外冊磁道的時候才能往內移動，移動道最內側磁道的時候才能往外移動

優點：性能較好，平均尋道時間短，不會產生飢餓現象

缺點：只有到達最邊上的磁道時才能改變磁頭移動方向；SCAN算法對於各個位置磁道的響應頻率不平均

LOOK調度算法：如果在磁頭移動方向上已經沒有別的請求，就可以立即改變磁頭移動方向

優點：不需要每次都移動道最外側或最內側才改變磁頭方向，使尋道時間進一步縮短

C-SCAN算法：只有磁頭朝某個特定方向移動時才處理磁道訪問請求，而返回時直接快速移動至起始端而不處理任何請求。

優點：對各個位置磁道的響應頻率很平均

缺點：只有到達最邊上的磁道時才能改變磁頭移動方向。

C-LOOK算法：如果磁頭移動的方向上已經沒有磁道訪問請求，就可以立即讓磁頭返回，並且磁頭只需要返回到有磁道訪問請求的位置

優點：不需要每次都移動到最外側或最內側才改變磁頭方向，使尋道時間進一步縮短

4.12 減少延遲時間的方法

4.13 磁盤的管理