6文件系统

本章讨论的主要问题信息文件是计算机的重要软件资源，对信息的组织、存取和保存，是由文件系统实现的。文件系统是OS的重要组成部分。本章主要讨论以下问题：信息的组织形式文件的结构信息的存取目录结构信息的存储磁盘的存储管理信息的共享与保护文件的共享与保护文件系统的构成文件的结构目录结构文件的共享与保护所有的计算机应用程序都要：存储信息，检索信息三个基本要求：能够存储大量的信息长期保存信息可以共享信息§6.1文件系统的基本概念解决方法：把信息以一种单元，即文件的形式存储在磁盘或其他外部介质上文件是通过操作系统来管理的，包括：文件的结构，命名，存取，使用，保护和实现方法两种观点用户观点：文件系统如何呈现在其面前：一个文件有什么组成，如何命名，如何保护文件，可以进行何种操作等等操作系统观点：文件目录怎样实现，怎样管理存储空间，文件存储位置，磁盘实际运作方式(与设备管理的接口)等等6.1.1文件与文件系统1.文件一组带标识的在逻辑上有完整意义的信息项的序列，这个标识为文件名信息项：构成文件内容的基本单位长度：单个字节，或多个字节文件内容的意义：由文件的建立者和使用者解释各信息项之间具有顺序关系信息项信息项……...信息项……...信息项编号：01……i……n-1读写指针文件是一个抽象机制，它提供了一种把信息保存在存储介质上，而且便于以后存取的方法，用户不必关心实现细节2.文件系统是操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用3.文件命名给出文件命名规则：长度，数字和特殊字符，大小写区分，支持文件扩展名（一个或多个）例子：.bak.c.f77.gif.hlp.html.mpg.o.ps.tex.txt.zip4.功能(1)统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收(2)实现文件的按名存取名字空间映射存储空间(3)实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措施(4)向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令，以及提供对文件的操作命令：信息存取、加工等）(5)系统维护及向用户提供有关信息(6)文件系统的执行效率文件系统在操作系统接口中占的比例最大,用户使用操作系统的感觉在很大程度上取决于对文件系统的使用效果.(7)提供与I/O的统一接口6.1.2文件的分类1.按文件性质和用途分类系统文件：有关OS及有关系统所组成文件用户文件：库文件：标准子程序及常用应用程序组成文件，允许用户使用但不能修改2.按信息保存期限分类临时文件；永久文件；档案文件3.按文件的保护方式分类只读文件；读写文件；可执行文件4.按文件的逻辑结构分类流式文件；记录式文件5.按文件的物理结构分类顺序（连续）文件；链接文件；索引文件6.UNIX系统将文件分为三类普通文件；目录文件；特殊文件（设备文件，把外部设备也看作文件）普通文件(regular)包含的是用户的信息，一般为ASCII或二进制文件目录文件(directory)管理文件系统的系统文件特殊文件(specialfile)字符设备文件：和输入输出有关，用于模仿串行I/O设备，例如终端，打印机，网络等块设备文件：模仿磁盘分类的目的：对不同文件进行管理,提高系统效率；提高用户界面友好性§6.2文件的结构（一）问题1、什么是逻辑文件，什么是物理文件，它们有何区别与联系？2、试说明顺序、链接和索引文件的存储结构的特点，并说明其检索方式及优、缺点。3、什么是索引文件？为何要引入多级索引？§6.2文件的结构一、逻辑文件从用户的观点讨论文件的组织形式，即文件的逻辑结构。无结构的字符流文件（如程序、文本文件）有结构的记录式文件（如数据库文件）文件结构分为逻辑结构和物理结构。文件结构决定了对文件的访问方式及检索速度。1、按照记录长度定长记录变长记录2、按照存取方式顺序文件索引文件顺序索引文件Hash文件*串结构（按照时间顺序）顺序结构（按照键值）文件的逻辑结构与物理结构有何关系？一条记录一个字节字节序列记录序列树1.流式文件：构成文件的基本单位是字符，文件是有逻辑意义的、无结构的一串字符的集合。文件：一个无结构字节序列好处：提供很大的灵活性2.记录文件：文件是由若干个记录组成，每个记录有一个键，可按键进行查找。记录式文件是有结构的文件。文件：一个固定长度记录的序列，每条记录有其内部结构§6.3文件的物理结构（一）1、顺序文件的存储结构将逻辑文件中的记录顺序地存储在连续的物理盘块中。文件的物理块号文件长度记录0记录1记录2记录3110#111#112#113#FCB二、物理文件从存储的观点讨论文件在外存上的组织形式，即文件的物理结构或存储结构。主要考虑存储效率。顺序(连续）文件链接(串联）文件索引(随机）文件（一）顺序文件012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址块数count02tr143mail196list284f62文件目录countftrmaillist2、优缺点优点：实现简单，根据FCB中的物理块号，支持顺序存取和随机存取顺序存取速度快所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少缺点：A文件不能动态增长预留空间:浪费重新分配和移动B不利于文件插入和删除C外部碎片问题存储压缩技术§6.3文件的存储结构（二）（二）链接文件1、链接文件的存储结构将逻辑文件分散存放在不连续的物理盘块中。根据链接方式不同，分为：隐式链接将一个逻辑文件分为若干逻辑块链接指针包含在物理块内。显式链接将链接各物理块的指针显式存放在“链接表”中。整个盘一张，又称为文件分配表FAT。文件的物理块号文件长度FCBFCB0123450451物理块号文件名始址末址jeep925文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-1252、优缺点优点：提高了磁盘空间利用率,不存在外部碎片问题；利于文件插入和删除；有利于文件动态扩充缺点：存取速度慢，不适于随机存取可靠性问题，如指针出错更多的寻道次数和寻道时间链接指针占用一定的空间链接结构的一个变形:文件分配表FAT§6.3文件的存储结构（三）（三）索引文件是一种非连续分配的文件结构。基本思想是访问文件时，只调入FAT的部分（文件的盘块号）。1、单级索引（稠密索引）为每个文件建立一张索引表，每个记录在表中占一个表项。检索过程：从FCB索引表始址按照关键字索引记录的物理地址§6.3文件的存储结构（三）（三）索引文件主索引表指针FCB逻辑记录号物理盘块号024127231340记录0记录1记录2记录324#27#31#40#索引表§6.3文件的存储结构（三）2、多级索引文件主索引表指针FCB键值物理地址ABC主索引表键值物理地址AA...AZBA..BZCA012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目录Jeep1991611025-1-1-119优点：保持了链接结构的优点,又解决了其缺点，既能顺序存取,又能随机存取满足了文件动态增长、插入删除的要求也能充分利用外存空间缺点：较多的寻道次数和寻道时间索引表本身带来了系统开销如：内外存空间，存取时间三、存储介质磁盘，磁带，光盘1.物理块(块)在文件系统中，文件的存储设备常常划分为若干大小相等的物理块。同时也将文件信息划分成相同大小的逻辑块（块），所有块统一编号。以块为单位进行信息的存储、传输，分配2.磁带永久保存大容量数据顺序存取设备：前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续的物理块的内容存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或用于传递数据的介质第i块间隙第i+1块3.磁盘直接（随机）存取设备：存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置磁道扇区柱面扇区磁臂磁头信息记录在磁道上，多个盘片，正反两面都用来记录信息，每面一个磁头所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一个柱面物理地址形式：磁头号（盘面号）磁道号（柱面号）扇区号磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成，实际存取读写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机要求完成的一次访盘请求：读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）完成过程由三个动作组成：寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输硬盘又分为两种：固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头，变换磁道时不需要磁头的机械移动，速度快但成本高移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变换磁道时需要移动磁头，速度慢但成本低4.光盘光盘容量大，速度快，价格便宜，但一般不可写可读写光盘驱动器价格贵，写过程很麻烦光盘的空间结构与磁盘类似5.外存的特点容量大，断电后仍可保存信息，速度较慢，成本较低由两部分组成：驱动部分+存储介质种类很多外存空间组织与地址与存取方式非常复杂I/O过程方式非常复杂6.用户对外存的要求用户对外存的使用：读写外存数据用户对外存的要求：方便、效率、安全(1)在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻辑地址和逻辑操作(2)存取速度尽可能快，容量大且空间利用率高(3)外存上存放的信息安全可靠，防止来自硬件的故障和他人的侵权(4)可以方便地共享，动态扩缩，携带拆卸，了解存储情况和使用情况(5)以尽可能小的代价完成上述要求文件的存取方式1、顺序访问按照从前到后的顺序对文件进行读写操作。2、随机访问也称为直接访问，可按照任意的次序对文件进行读写操作。3、索引访问也称为按键访问，文件记录按某个数据项（通常称为键值）排列。存储设备磁盘、磁鼓磁带文件类型连续文件串联文件索引文件Hash文件连续文件文件长度固定固定、可变固定、可变固定、可变固定存取方法直接、顺序顺序直接、顺序直接、顺序顺序存储设备、文件类型与存取方式的关系§6.4目录管理（二）文件目录也是一种数据结构，用于标识文件及其物理地址，实现对文件的检索、访问。目录管理的功能：1、实现文件的“按名存取”2、提高对目录的检索速度3、实现文件共享4、实现文件重名问题1、目录项包括哪些内容？2、如何实现文件的按名存取？即目录查询技术。§6.4目录管理（二）文件目录也是一种数据结构，用于标识文件及其物理地址，实现对文件的检索、访问。目录管理的功能：1、实现文件的“按名存取”2、提高对目录的检索速度3、实现文件共享4、实现文件重名6.4.1基本概念1.文件控制块（FCB）：文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息（文件属性）文件控制块是文件存在的标志文件控制块的内容：文件名，文件号，用户名，文件地址，文件长度，文件类型，文件属性，共享计数，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后访问日期，口令，文件逻辑结构，文件物理结构2.文件目录：把所有的FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合3.目录项：构成文件目录的项目（目录项就是FCB）4.目录文件：为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫目录文件6.4.2目录结构1.一级目录结构为所有文件建立一个目录文件(组成一线性表)优点:简单，易实现缺点:限制了用户对文件的命名文件平均检索时间长限制了对文件的共享2.二级目录结构为改变一级目录文件目录命名冲突，并提高对目录文件检索速度而改进目录分为两级：一级称为主文件目录，给出用户名，用户子目录所在的物理位置；二级称为用户文件目录（又称用户子目录），给出该用户所有文件的FCB优点：解决了文件的重名问题和文件共享问题用户名|文件名查找时间降低缺点：增加了系统开销c3.多级目录结构（树型目录）优点：层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件分类；解决重名问题；提高文件检索速度；能进行存取权限的控制缺点：查找一个文件按路径名逐层检查，由于每个文件都放在外存，多次访盘影响速度目录的其他实现方法哈希表算法：目录项信息存在一哈希表中搜索时