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计算机操作系统第6章文件管理南京工业大学信息学院计算机系信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统第6章文件管理6.1文件和文件系统6.2文件的逻辑结构6.3外存分配方式6.4目录管理6.5文件存储空间的管理6.6文件共享与文件保护信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统36.1文件和文件系统文件：具有名字(文件名)的若干相关元素的集合。元素通常是记录记录又是一组有意义的数据项的集合。数据分成数据项、记录、文件三级。6.1.1文件、记录和数据项记录：一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。有结构文件：由若干相关记录组成。记录式文件无结构文件：被看成字符流。流式文件信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.1.2文件类型和文件系统模型1．文件类型1）按用途分类系统文件用户文件库文件2）按文件中数据的形式分类源文件目标文件可执行文件3）按存取控制属性分类执行文件读文件写文件信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.1.2文件类型和文件系统模型2．文件系统模型该模型分为三个层次：底层是对象及其属性——文件、目录、磁盘存储空间中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合：对文件存储空间的管理、对文件目录的管理、用于将文件的逻辑地址转换为物理地址的机制、对文件读、写的管理、对文件的共享和保护等功能——文件系统的核心部分高层是文件系统提供给用户的接口——命令接口、程序接口信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.1.3文件操作最基本的文件操作有：创建、删除、读、写文件等。还有：打开文件、关闭文件、文件更名。1．最基本的文件操作1）创建文件统为新文件分配必要的外存空间；文件目录中为其建立目录项。目录项中应包含文件名及其在外存的地址等属性。2）删除文件到要删除文件的目录项，使之成为空项；收文件所占的存储空间。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.1.3文件操作1．最基本的文件操作3）读文件在相应的系统调用中给出文件名和应读入的内存目标地址。为此，须先查找目录，找到指定的目录项，从中得到被读文件的外存地址和文件读指针4）写文件在相应的系统调用中给出文件名和该文件在内存的（源）地址。找目录，找到指定的目录项，再利用目录中的写指针进行写操作。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.1.3文件操作2．文件的“打开”和“关闭”操作当前OS所提供的大多数文件操作，其过程大致都是这样两步：过检索文件目录来找到指定文件的属性及其在外存上的位置；文件实施相应的操作，如读文件或写文件等。打开文件——是指系统将指明文件的属性（包括该文件在外存上的物理位置）从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号（或称索引号）返回给用户。作用：以后，当用户再要求对该文件进行相应操作时，便可利用该索引号向系统提出操作请求。这时系统便可直接利用该索引号到打开文件表中去查找，从而避免了对该文件的再次检索。这样不仅节省了大量的检索时间，也显著提高了对文件的操作速度。关闭文件——如果用户已不再需要对该文件操作时，可利用“关闭”(Close)系统调用来关闭此文件，OS将会从打开文件表中把该文件对应的表目删除。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.2文件的逻辑结构通常，文件是由一系列的记录组成的。文件系统设计的关键要素是：这些记录构成一个文件的方法——逻辑结构将一个文件存储到外存上的方法——存储结构文件的逻辑结构——这是从用户观点出发所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于文件的物理特性，又称为文件组织。文件的物理结构——又称文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。它不仅与存储介质的存储性能有关，而且与所采用的外存分配方式有关。对文件逻辑结构所提出的基本要求：提高检索速度便于修改降低文件的存储费用信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.2.1文件逻辑结构的类型1．有结构文件又称记录式文件。数据库常采用有结构文件。每个记录都是描述实体集中的一个实体，各记录着相同或不同数目的数据项。1）定长记录文件长度使用记录数目表示。记录的处理方便、开销小。是目前较常用的一种记录格式，被广泛用于数据处理中。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.2.1文件逻辑结构的类型1．有结构文件2）变长记录变长的原因：可能是记录中包含的数据项数目不相同；也可能是数据项长度不相同。根据用户和系统管理上的需要，可采用多种方式来组织这些记录，形成下述几种文件：顺序文件——这是有一系列记录按某种顺序排列所形成的文件。通常是定长记录组成，也可以是变长记录的。索引文件——当记录可变长时，通常为之建立一张索引表，并为每个记录设置一个表项，以加快对记录的检索速度。——定长记录也可用。索引顺序文件——为文件建立一张索引表，为每一组记录中的第一个记录设置一个表项。——至少每组内是定长记录。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.2.1文件逻辑结构的类型2．无结构文件源程序、可执行文件、库函数等，采用的是无结构文件形式，即流式文件。其长度以字节为单位。采用读写指针来指出下一个要访问的字符。可以把流式文件看作是记录式文件的一个特例。UNIX系统中，所有文件都被看作是流式文件；即使是有结构文件，也被看作流式文件；系统不对文件进行格式处理。在一个系统中，可能采用多种逻辑结构的文件。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.3外存分配方式物理结构直接与外存分配方式有关。目前常用的外存分配方式有：连续分配、链接分配、索引分配。在一个系统中，仅采用其中的一种外存分配方式。6.3.1连续分配（顺序文件）1．连续分配方式要求为每一个文件分配一组相邻的盘块。把逻辑文件中的记录顺序地存储到相邻的物理盘块中。成为顺序文件结构，又称顺序文件。文件目录项：文件名、第一个盘块号、文件长度（以盘块数进行计量），如图6.1所示。会形成磁盘碎片(外部碎片)，可以用紧凑方法消除碎片，但将花费比内存紧凑多得多的时间。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统146.3.1连续分配连续分配的目录结构filenamestartlengthcount02tr143mail196list284f622．连续分配的主要优缺点优点：顺序访问容易——从第一个盘块开始，顺序地、逐个地往下读/写。也支持直接存取。顺序访问速度快——磁头移动得距离最少。缺点：要求有连续的存储空间必须事先知道文件的大小。文件大小不宜动态变化。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.3.2链接分配(链接文件)在采用链接分配时，可通过在每个盘块上的链接指针，将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链表，把这样形成的文件称为链接文件。优点：消除了外部碎片，提高了外存利用率便于文件动态增长，文件的增、删、改也十分方便。链接方式又可以分为隐式链接和显式链接两种。1．隐式链接每个文件的目录项中，包含第一个盘块和最后一个盘块号（指针），而在每个盘块中，都有一个指向下一个盘块的指针。如果盘块大小为512字节，指针占4个字节，则每个盘块中只有508个字节可供用户使用。Filestartendjeep925目录结构信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统1.隐式链接隐式链接缺点：只适合顺序访问，对随机访问极其低效。可靠性差——任何一个指针出现问题，都将导致整个链的断开。为了提高检索速度和减少指针所占用的存储空间，可以将几个盘块组成一个簇（cluster）。但增大了内部碎片。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统2显式链接用于链接文件物理块的指针（块号），显式地存放在外存的一张链接表中，整个磁盘仅一张表，如图6-1所示。表中的序号是物理块号，从0开始，直至N-1；N为磁盘总块数。每个表项中存放链接指针，即下一个盘块号。文件的第一个块号，存放在文件目录项（FCB）中。系统启动时，该表调入内存——提高检索速度该表称为文件分配表FAT（FileAllocationTable）MS-DOS、Windows、OS/2等操作系统都采用FAT。见图6-2。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.3.3索引分配(索引文件)1．单级索引链接分配解决了连续分配存在的问题，但又出现了另外两个问题：不能支持高效的直接存取。FAT需要占用较大的内存空间——由于一个文件所占用的盘块号是随机地分布在FAT中的，因而只有将整个FAT调入内存，才能保证在FAT中找到一个文件的盘块号。当磁盘容量很大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间，这是令人难以接受的。事实上，在打开文件时，只需要把该文件的盘块号调入内存即可，完全没有必要将整个FAT调入内存。为此，应将每个文件的盘块号集中放在一起。索引分配方法就是基于这种思想所形成的一种分配方法。它为每个文件分配一个索引块（表），把分配给该文件的盘块号都记录在索引块中。在建立文件时，其目录项中包含指向索引块的指针。优点：索引分配支持直接访问。索引分配不会产生外部碎片。文件较大时，优于链接分配。缺点：可能要花费较多的外存空间。——每个文件都要一个索引表，小文件仍需分配一个盘块。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统单级索引的目录结构文件名块号jeep1991611025-1-1目录索引表信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统2．多级索引分配当OS为一个大文件分配磁盘空间时，若盘块号装满一个索引块时，OS便为该文件分配另一个盘块，依次类推，再通过链指针将各索引块链接起来。这种方法是低效的。解决的办法是采用多级索引。图6-3是两级索引。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统索引文件的大小——例子【例】如果盘块大小为1KB，每个盘块号占4个字节，则一个索引块可存放256个盘块号。这样在两级索引时，文件的最大盘块数为N=256×256=64K个盘块号。即允许的文件最大长度为64MB。若采用一级索引，允许的最大文件长度为1KB×256=256KB。学生考虑（计算）盘块大小为4KB的情况。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统3.混合索引分配方式将多种索引方式相结合而形成的一种索引方式。有直接索引、一级索引、二级索引，甚至三级索引。UNIX系统采用混合索引方式。如图6-4所示。直接索引UNIXSystemV的索引结点中，共设13个地址项：i.addr(0)～i.addr(12)信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统UNIX系统采用混合索引方式1）直接地址。为了提高对文件的检索速度，设置了10个直接地址项，i.addr(0)～i.addr(9)。设盘块大小为4KB，当文件大小不超过40KB时，可直接索引得到。2）一次间接地址。i.addr（10）。文件大小不超过4MB+40KB。（假设盘块号4字节）3）二次间接地址。i.addr（11）。文件大小不超过4GB+4MB+40KB。4）三次间接地址。i.addr（12）。文件大小不超过4TB+4GB+4MB+40KB。信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.4目录管理对目录管理的要求：实现“按名存取”提高对目录的检索速度文件共享允许文件重名信息学院计算机系2005年9月计算机操作系统6.4.1文件控制块和索引结点为了能对文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称为“文件控制块（FCB）”。一个文件对应一个FCB（目录项）。若干目录项组成一个目录文件。1．文件控制块通常包含三类信息：基本信息类①文件名；②文件物理位置；③文件逻辑结构；④文件物理结构存取控制信息类①文件主的存取控制权限；②核准用户的存取控制权限；③一般用户的存取控制权限使用信息类①文件建立的日期、时间；②文件上一次修改的日期、时间；③当