操作系统第九章文件和设备管理示例

1第9章文件和设备管理示例29.1UNIX文件系统的特点与文件类别9.1.1UNIX操作系统的特点P227UNIX采用树型目录结构。UNIX中一个文件的绝对路径名由斜杠“/”开头，随后是路径中所经过的所有目录名，中间用斜杠分隔而成，比如：/usr/bin/spell。由于UNIX允许用户设置“当前目录”，因此，从当前目录开始的文件路径名，是它的相对路径名。3图9.1是它的一个典型示例，其中，根目录下有8个子目录：/dev—此目录下都是设备文件，比如键盘终端（con）、打印机（lp）等；/bin—此目录下是UNIX外壳（shell）中主要程序的二进制代码文件；/usr—此目录下通常为已安装的各个子文件系统，如bin、tmp、lib、local、include以及用户的各种文件；/lib—此目录下存放的是一些库文件，比如C、PASCAL的函数库；/include—此目录下存放的是一些头文件；/etc—此目录下存放各种管理文件；/tmp—此目录下存放临时性文件；/UNIX—存放UNIX的核心程序。49.1.2UNIX文件的分类按照文件的内容，UNIX把文件分成3类：普通文件：这是通常意义下的磁盘文件，即存放用户和系统的有关数据和程序的那些文件。它们都被视为无结构、无记录概念的字符流，文件的长度可以动态增减。目录文件：由文件的目录项组成的文件称为目录文件。这种文件在形式上与普通文件相同，只是系统将其解释成目录。一般地，一个文件的目录项应该包含文件名称、文件长度、文件类型、文件在辅存的位置以及存取权限等信息。在UNIX中，为了加快对文件目录的搜索速度，便于文件共享，把这些内容划分成两个部分：一个称为该文件的索引节点（即文件控制块），简称为i节点，它的里面存放着这个文件的长度、文件类型、文件在辅存的位置、存取权限以及共享信息等内容；另一个仍称为文件目录项，但它的里面只包含文件名和这个文件的索引节点编号。5下图给出了UNIX文件目录项的格式，即用14个字节存放文件名，2个字节存放该文件的i节点号（id）。不难看出，在UNIX中，是由文件名查文件目录，由文件目录得到该文件的i节点编号，由这个编号得到文件的i节点，从而得到该文件的有关信息。文件名i节点编号id6设备文件：在UNIX中，把块存储设备（如磁盘）和字符设备（如键盘、打印机）都视为文件。不过它们只有文件目录和索引节点，并不占用实际的物理存储块，因此，有时也称它们为特殊文件。为了检查和处理方便，UNIX总是把所有的特殊文件放在名为“dev”的目录文件中。79.2.1UNIX文件系统的存储结构UNIX中，无论是普通文件还是目录文件，都存储在磁盘上。另外，每个文件的i节点也存储在磁盘上。下面讲述这些信息在磁盘上如何分布，UINX怎样来对它们实行管理。为了使整个文件系统易于扩充和更改，UNIX把文件系统分成基本文件系统和可装卸的子文件系统(文件卷)两个部分。基本文件系统和子文件系统都有自己独立的目录结构，但是基本文件系统是整个UNIX文件系统的基础，是文件系统的“根”，它总是被固定在作为根存储设备的磁盘上。子文件系统是指存储在可装卸存储介质（如软盘）上的文件系统，因此，子文件系统具有可装卸的特性。当把它安装到基本文件系统上时，自身的独立性消失，与基本文件系统融为一体。比如，用户可以把自己的文件系统组织在软盘上成为子文件系统。9.2文件系统的数据结构及其关系89UNIX把文件的存储空间——磁盘想象成是一个由连续物理块构成的文件卷（把每个磁盘或磁带看作是一个文件卷），每个物理块含512个字节。在一个磁盘上，存放着普通文件的信息，存放着目录文件的信息，存放着文件的i节点，还要存放对磁盘存储区的管理信息（比如哪些块是空闲的，哪些块是已分配的等等）。整个磁盘存储区的组织结构如下图示。10块0用来存放引导程序，它与文件管理关系不大。文件存储器全部资源的管理信息（即filsys表）存放在块1，它是磁盘的管理区。从第2块—K+1块，存放磁盘上文件的i节点内容，这个区域称为索引节点表（区）。索引节点表的后面是一般数据存储区，在那里存放普通文件和目录文件的信息。显然，在磁盘上，一般数据存储区所占用的磁盘空间为最大。下面对管理区中的资源管理信息表filsys、索引节点区中的i节点以及文件的目录分别加以介绍。119.2.2几种常用的数据结构资源管理结构filsys:用来进行文件空闲块和i节点项的分配与回收,包含文件系统空闲块分配用堆栈及i节点分配用数据结构。原理见P229i节点（索引节点）:存放文件说明信息和相应标识符的BFD.包括：磁盘i节点（dinode,以静态形式存放文件说明信息）、内存活动i节点（inode,为减少设备启动次数、提高文件的操作速度而把磁盘i节复制到内存的特定区域）。每个文件都应有一个唯一的磁盘索引节点，文件被打开后，还应有内存索引节点。12目录项:由文件名和磁盘i节点标识符id组成。系统打开文件表、用户打开文件表:记录和控制打开文件的用户进程以及记录和控制那些共享同一文件的用户进程。其中：用户打开文件表：存放打开文件的描述符fd;系统打开文件表：记录打开同一文件的不同进程和不同进程所使用的不同打开路径，及其对应的读写指针。文件名i节点编号id13资源管理的任务：空闲磁盘块的分配i节点的分配系统打开文件表的分配空闲磁盘块的回收i节点的回收系统打开文件表的回收9.3资源管理和地址映射14空闲磁盘块的管理UNIX对文件存储空间的管理在磁盘上，UNIX总是把文件安排在一般数据存储区。因此，UNIX对文件存储空间的管理，即是对磁盘上一般数据存储区的管理。前面第7章介绍使用“空闲块链”管理磁盘上的空闲块时，曾提及“成组链接”法，并说UNIX操作系统就是采用这种方法来管理磁盘上的空闲块的。这种方法是将若干个（如100)空闲盘块划归为一个组，将每组在中的所有盘块号存放在其前一组的第一个空闲盘块中，而仅把第一组中的所有空闲块号放入超级块（filsys结构）中。下面简单介绍它的实现过程。15在磁盘管理区filsys结构中，有两个内容涉及到磁盘空闲块的管理，一个是由数组s_free[100]构成的一个空闲磁盘块索引表。当一个文件要申请磁盘块时，就到这个索引表中去获得需要的空闲块；当一个磁盘块被释放时，就把它还回到这个索引表中。所以，这个索引表中记录的是当前系统可以直接分配的空闲磁盘块。另一个是s_nfree，它记录了s_free[]中现有的可分配的空闲磁盘块数。从形式上看，利用数组s_free[100]直接管理100个空闲的磁盘块，与利用数组s_inode[100]直接管理100个空闲的i节点相类似，但实际上相差很远。因为除这100个直接管理的空闲块外，UNIX对其余的空闲块并没有放置不管，而是将它们分组进行链接。具体做法如下图所示。1617UNIX把磁盘上一般数据存储区中的所有空闲块依次分组。为了下面讲述方便，对每一组的块都进行分别编号。具体的办法是：第1组为99块，编号为1~99（为什么第1组只有99块，后面会给出解释）。从第2组起，每组都是100块，剩下的块归并成为最后一组。它们都按0~99的顺序进行编号。在图中，从右至左反映了这种分组的结构。在图中，假定最后一组中只有52个空闲块，各块的编号为0~51。分好组以后，总是在后一组的第0块中开辟101个位置，依次存放前一组的总块数以及前一组中每一块的地址。也就是说，相当于总是在后一组中，开辟s_nfree和s_free[100]所需要的位置，用于存放前一组的分组信息。18在此，有两组的情况要做特殊处理。一个是第1组。在第1组中，实际只有99个空闲块。为了管理的需要，把它的总块数仍记为100，见图中第2组里的s_nfree=100。另外，第一组磁盘块编号是从1开始的，因此在相当于第0号磁盘块的位置存放一个0，而不是某一个磁盘块的地址，见图中第2组中的s_free[0]=0。19另一个要特殊处理的是最后一组。因为在最后一组的后面已经没有下一组了，所以UNIX就把它的所有信息存放在管理块的filsys中，即存放在filsys的s_nfree和s_free[100]中。由于现在最后一组只有52个空闲块，因此在filsys中的s_nfree取值为52，并且只用到数组s_free[100]的前52个元素，即用s_free[0]到s_free[51]存放最后一组的52个空闲块的地址。至此，成组链接的格局已经完成：在filsys的s_free[]中，记录了当前直接可以分配的52个空闲块。在这52个空闲块的第0块中，记录了下一组100个空闲的磁盘块地址，下一组100个空闲的第0块中，记录了再下一组100个空闲的磁盘块地址，如此等等。20在采用“成组链接”法后，如何分配空闲块，如何回收空闲块？下面来讨论这两个问题。无论是磁盘空闲块的分配还是回收，都是在filsys中的空闲磁盘块索引表s_free[]中进行，并把它视为一个栈。分配时，做出栈操作；回收时，做进栈操作。s_nfree中记录的值，是s_free[]中当前实际有的空闲块数，正好也是空闲磁盘块索引表s_free[]中下一个可以使用的索引表目的下标。21因此，总是先在s_nfree上做减1操作，然后把s_free[s_nfree]中记录的磁盘块分配出去。这里要注意的是，如果在s_nfree上做减1操作后，其值等于0了，那么就是要把s_free[0]所指向的那一个磁盘空闲块分配出去。由于它是这一组的第0个磁盘块（按照分配顺序，它总是在一组中最后被分配出去），里面包含有它前一组空闲块的信息在内。因此在把这一块分配出去之前，应该先把它记录的101个信息拷贝到filsys结构的s_nfree和s_free[]里面去，然后才能将它分配出去。22分配时还要注意的一个问题是如果分配一直进行，现在要把第2组的第0块分配出去。根据前面所说，先把这块中记录的101个信息拷贝到filsys结构的s_nfree和s_free[]里面去，然后才将它分配出去。这意味着系统现在只有最后99块能够分配了。如果分配仍然继续，直到把这99块全部分配出去。此时，filsys中的s_nfree=1，s_free[0]=0。若再申请空闲块，s_nfree减1后成为0，即要把s_free[0]所指的块分配出去。此时发现s_free[0]=0，而不是一个磁盘块的地址，表明所有的磁盘空闲块都分配出去了，提出请求的进程只能阻塞等待。所以，这就是前面分组时把第1组只分99个空闲块，但仍然算这组有100个块，并将第0块指针处安放一个0的原因。23进行空闲块的回收时，就是将该块的地址登记在空闲磁盘块索引表的s_free[s_nfree]表目中,然后让s_nfree加1。不过要注意，在把释放块的地址存入索引表s_free[]的表之前，必须检查s_nfree的取值。如果发现s_nfree等于100，那么表明这时空闲磁盘块索引表在此之前已经收集满了100个空闲的磁盘块，它们应该形成一个新的链组。现在要释放的一块，是下一组空闲块的第0块。于是，就把filsys中的s_nfree和s_free[0]~s_free[99]共101个值存入新释放块中，然后将此块的地址填入s_free[0]中，将s_nfree置为1。249.3.1磁盘i节点的管理基本思想：在给新建文件分配磁盘存储区之前，为其分配磁盘i节点，以将文件的有关信息记入其中，并将用户提供的文件名和磁盘i节点号一并组成一个新目录项，记入其父目录文件中;删除文件时，回收所分配的磁盘i节点项。分配算法：借助于i节点线性表利用ialloc算法（UNIXSystemV）进行的，具体分配过程见P232回收算法：利用ifee算法259.3.2内存i节点的管理基本思想：系统打开文件进行搜索或读写等操作时，为其分配内存i节点，以存放从磁盘i节点拷贝过来的信息，方便用户或系统对文件的访问;删除文件时，回收所分配的磁盘i节点项。分配：利用过程ige