操作系統(tǒng)原理第7章

1、1第7章 文件管理2內(nèi)容提要 本章主要講述以下內(nèi)容：（1）文件與文件系統(tǒng)的概念，文件的分類(lèi)和文件系統(tǒng)模型；（2）文件的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)及存取方式；（3）目錄管理；（4）文件存儲(chǔ)空間的管理；（5）文件的共享與安全，數(shù)據(jù)一致性控制。3學(xué)習(xí)目標(biāo) (1)了解文件與文件系統(tǒng)的基本概念，文件共享、安全的實(shí)現(xiàn)方法與常用數(shù)據(jù)一致性控制措施； (2)理解文件的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)的概念及其分類(lèi)、每一類(lèi)的特點(diǎn)； (3)掌握目錄管理方式，文件存儲(chǔ)空間的管理方式。4第7章 文件管理7.1 文件管理概述7.2 文件的結(jié)構(gòu)及存取方式7.3 目錄管理7.4 文件存儲(chǔ)空間的管理7.5 文件的共享與安全7.6 典型例題講解57

2、.1 文件管理概述7.1.1 文件系統(tǒng)的引入7.1.2 文件與文件系統(tǒng)7.1.3 文件的分類(lèi)7.1.1 文件系統(tǒng)的引入信息存儲(chǔ)的基本要求：能夠存儲(chǔ)大量的信息；長(zhǎng)期保存信息；可以共享信息。7.1.2 文件與文件系統(tǒng)1.文件的定義 文件可以被解釋為一組帶有標(biāo)識(shí)的，在邏輯上有完整意義的信息項(xiàng)的序列，這個(gè)標(biāo)識(shí)為文件名，信息項(xiàng)構(gòu)成了文件內(nèi)容的基本單位。2.文件系統(tǒng)的概念 是操作系統(tǒng)中統(tǒng)一管理信息資源的軟件集合。它管理文件的存儲(chǔ)、檢索、更新，提供安全可靠地共享和保護(hù)手段，并為用戶(hù)提供方便操作的接口。 7.1.2 文件與文件系統(tǒng)3.文件系統(tǒng)模型（1）文件系統(tǒng)管理的對(duì)象 文件 目錄 磁盤(pán)（磁帶）存儲(chǔ)空間（2）

3、對(duì)對(duì)象進(jìn)行操縱和管理的軟件集合 包括對(duì)文件存儲(chǔ)空間的管理、對(duì)文件目錄的管理、用于將文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的機(jī)制、對(duì)文件讀和寫(xiě)的管理，以及對(duì)文件的共享與保護(hù)等功能。（3）文件系統(tǒng)的接口 命令接口 程序接口文件系統(tǒng)的接口對(duì)對(duì)象進(jìn)行操縱和管理的軟件集合對(duì)象及其屬性文件系統(tǒng)模型7.1.3 文件的分類(lèi)1.按照文件的物理組織結(jié)構(gòu)分類(lèi) 連續(xù)文件 非連續(xù)文件 鏈接文件 索引文件 2.按照文件的存取控制屬性分類(lèi) 只讀文件 只執(zhí)行文件 讀/寫(xiě)文件7.1.3 文件的分類(lèi)3.按照文件的用途分類(lèi) 系統(tǒng)文件 用戶(hù)文件 庫(kù)文件4.按照文件中數(shù)據(jù)的形式分類(lèi) 源文件 目標(biāo)文件 可執(zhí)行文件5.按照文件的組織形式和處理方式分

4、類(lèi) 普通文件 目錄文件 特殊文件 7.2 文件的結(jié)構(gòu)及存取方式7.2.1 文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.2.2 文件的存取方式7.2.3 文件的物理結(jié)構(gòu)7.2.1 文件的邏輯結(jié)構(gòu)1.設(shè)計(jì)文件邏輯結(jié)構(gòu)的原則（1）易于操作（2）查找快捷（3）修改方便（4）空間緊湊7.2.1 文件的邏輯結(jié)構(gòu)2文件邏輯結(jié)構(gòu)的類(lèi)型文件的邏輯結(jié)構(gòu)就是用戶(hù)所看到的文件的組織形式。文件邏輯結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)過(guò)抽象的結(jié)構(gòu)，所描述的是信息在文件中的組織形式。文件中的這些信息到底在物理介質(zhì)上是如何組織存儲(chǔ)的，與用戶(hù)沒(méi)有直接關(guān)系。從用戶(hù)角度看，按照文件的邏輯結(jié)構(gòu)可以把文件劃分為三類(lèi)：無(wú)結(jié)構(gòu)的字符流式文件、定長(zhǎng)記錄文件和不定長(zhǎng)記錄文件，定長(zhǎng)紀(jì)錄文件和不

5、定長(zhǎng)記錄文件可以統(tǒng)稱(chēng)為記錄式文件。（1）流式文件:文件的基本單位是字符，流式文件是有序字符的集合，其長(zhǎng)度為該文件所包含的字符個(gè)數(shù)，所以又稱(chēng)為字符流文件。（2）記錄式文件:文件的基本單位是記錄，記錄式文件是一組有序記錄的集合。記錄是一個(gè)具有特定意義的信息單位，它由該記錄在文件中的邏輯地址（相對(duì)位置）與記錄名所對(duì)應(yīng)的一組鍵、屬性以及屬性值組成，可以按鍵進(jìn)行查找。記錄式文件可以分為定長(zhǎng)記錄文件和不定長(zhǎng)記錄文件兩種。定長(zhǎng)記錄文件中各個(gè)記錄長(zhǎng)度相等。7.2.2 文件的存取方式1.順序存取 順序存取就是按從前到后的次序依次訪問(wèn)文件的各個(gè)信息項(xiàng)。 對(duì)于記錄式文件，是按照記錄的排列順序來(lái)存取。 對(duì)流式文件，順

6、序存取反映當(dāng)前讀寫(xiě)指針的變化，在存取完一段信息之后，讀寫(xiě)指針自動(dòng)指向后面的信息。2.隨機(jī)存取 隨機(jī)存取又稱(chēng)直接存取，即允許用戶(hù)根據(jù)記錄鍵存取文件的任意記錄，或者根據(jù)存取命令把讀寫(xiě)指針移到指定處讀寫(xiě)。3.按鍵存取 按鍵存取是根據(jù)給定的鍵或記錄名進(jìn)行存取，存取時(shí)首先搜索到要進(jìn)行存取記錄的邏輯位置，然后再將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的物理地址后進(jìn)行存取。7.2.3 文件的物理結(jié)構(gòu)1.順序結(jié)構(gòu)（1）順序結(jié)構(gòu)原理 順序結(jié)構(gòu)又稱(chēng)連續(xù)結(jié)構(gòu)，它把邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放在連續(xù)編號(hào)的物理塊中。 （2）順序結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn):文件存取非常簡(jiǎn)單迅速，支持順序存取和隨機(jī)存取。 缺點(diǎn):文件不能動(dòng)態(tài)增長(zhǎng) ,存儲(chǔ)碎片不能充分利用。7

7、.2.3 文件的物理結(jié)構(gòu)2.鏈接結(jié)構(gòu)（1）鏈接結(jié)構(gòu)原理將邏輯上連續(xù)的文件分散存放在若干不連續(xù)的物理塊中，為每一個(gè)文件構(gòu)造磁盤(pán)塊的鏈表，每個(gè)物理塊都設(shè)有一個(gè)指針，指向其后續(xù)的物理塊。（2）鏈接結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：有利于文件的動(dòng)態(tài)擴(kuò)充、插入和刪除，提高了磁盤(pán)利用率。缺點(diǎn)：存取速度慢，不適用于隨機(jī)存??；磁頭移動(dòng)多，效率相對(duì)較低；存在可靠性問(wèn)題，如指針出錯(cuò)等問(wèn)題；另外鏈接指針要占用一定的空間。 7.2.3 文件的物理結(jié)構(gòu)3.索引結(jié)構(gòu)（1）索引結(jié)構(gòu)原理 將每個(gè)文件所有物理塊的地址集中存放在稱(chēng)為索引表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。其中的第i個(gè)條目指向文件的第i塊。每個(gè)文件相應(yīng)的目錄條目中包括該文件的索引表地址。（2）索引結(jié)

8、構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 既適用于順序存取，也適用于隨機(jī)存取 可以滿(mǎn)足文件動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)、插入、刪除的要求 索引文件還能充分利用外存空間 缺點(diǎn)： 較多的尋道次數(shù)和尋道時(shí)間 索引表本身增加了存儲(chǔ)空間 索引表的鏈接模式：一張索引表通常是一個(gè)物理盤(pán)塊。對(duì)大文件就用多個(gè)索引表并將其鏈接在一起。這種模式下存取到文件尾部將需要讀取所有索引表，對(duì)于大文件來(lái)說(shuō)這可能需要讀取很多塊。 多重索引：這是上述索引表鏈接模式的一種改進(jìn)，將一個(gè)大文件的所有索引表（二級(jí)索引）的地址放在另一個(gè)索引表（一級(jí)索引表中）。7.3 目錄管理7.3.1 文件控制塊和索引結(jié)點(diǎn) 7.3.2 目錄結(jié)構(gòu)7.3.3 目錄查詢(xún)技術(shù)7.3.1 文件控制塊和索引

9、結(jié)點(diǎn) 為了能對(duì)系統(tǒng)中的大量文件施以有效的管理，在文件控制塊中，通常應(yīng)含有三類(lèi)信息，即基本信息、存取控制信息及使用信息。 （1）基本信息類(lèi) （2）存取控制信息類(lèi) （3）使用信息類(lèi) 2.索引結(jié)點(diǎn) （1）索引結(jié)點(diǎn)的引入 便采用了把文件名與文件描述信息分開(kāi)的辦法，亦即，使文件描述信息單獨(dú)形成一個(gè)稱(chēng)為索引結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱(chēng)為i結(jié)點(diǎn)。在文件目錄中的每個(gè)目錄項(xiàng)僅由文件名和指向該文件所對(duì)應(yīng)的i結(jié)點(diǎn)的指針?biāo)鶚?gòu)成。在UNIX系統(tǒng)中一個(gè)目錄項(xiàng)僅占16個(gè)字節(jié)，其中14個(gè)字節(jié)是文件名，2個(gè)字節(jié)為i結(jié)點(diǎn)指針。在1KB的盤(pán)塊中可做64個(gè)目錄項(xiàng)，這樣，為找到一個(gè)文件，可使平均啟動(dòng)磁盤(pán)次數(shù)減少到原來(lái)的1/4，大大節(jié)省了系統(tǒng)開(kāi)

10、銷(xiāo)。 （2）磁盤(pán)索引結(jié)點(diǎn) （3）內(nèi)存索引結(jié)點(diǎn) 7.3.2 目錄結(jié)構(gòu)1一級(jí)目錄結(jié)構(gòu) 最簡(jiǎn)單的目錄結(jié)構(gòu)是一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。在操作系統(tǒng)中構(gòu)造一張線性表，與每個(gè)文件有關(guān)的說(shuō)明信息占用一個(gè)目錄項(xiàng)，就構(gòu)成了一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。單用戶(hù)微型機(jī)操作系統(tǒng)CP/M的軟盤(pán)文件目錄便采用這一結(jié)構(gòu)。每個(gè)磁盤(pán)上設(shè)置一張一級(jí)文件目錄表，不同磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器上的文件目錄互不相關(guān)。 2二級(jí)目錄結(jié)構(gòu) 在二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)中，第一級(jí)為主文件目錄，用于管理所有用戶(hù)文件目錄，其目錄項(xiàng)登記了系統(tǒng)用戶(hù)的名字及該用戶(hù)文件目錄的地址。第二級(jí)為用戶(hù)文件目錄，用于為該用戶(hù)的每個(gè)文件保存一個(gè)登記欄，其內(nèi)容與一級(jí)目錄的目錄項(xiàng)相同。3多級(jí)目錄結(jié)構(gòu) 在多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)中，主文件目錄

11、演變?yōu)楦夸洝８夸浖瓤梢员硎疽粋€(gè)普通文件，也可以是下一級(jí)目錄的目錄文件的一個(gè)說(shuō)明項(xiàng)。如此層層類(lèi)推，形成了一個(gè)樹(shù)形層次結(jié)構(gòu)，如圖7-7所示。圖7-7 多級(jí)目錄結(jié)構(gòu) 7.3.3 目錄查詢(xún)技術(shù) 目錄的查找是文件目錄管理的重要工作，“按名存取”文件實(shí)質(zhì)上就是系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)提供的文件名來(lái)查找各級(jí)文件目錄，直至找到該文件。 實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)文件的按名存取，系統(tǒng)須按下述步驟為用戶(hù)找到其所需的文件。首先，系統(tǒng)利用用戶(hù)提供的文件名，對(duì)文件目錄進(jìn)行查找，找出該文件的文件控制塊或索引結(jié)點(diǎn)；其次，根據(jù)找到的FCB或索引結(jié)點(diǎn)中所記錄的文件物理地址（盤(pán)塊號(hào)），換算出文件在磁盤(pán)上的物理位置；最后，啟動(dòng)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序，將所需文件讀到

12、內(nèi)存中。目前，對(duì)目錄進(jìn)行查找的方式有兩種：線性檢索法和哈希（Hash)算法。 7.4 文件存儲(chǔ)空間的管理7.4.1 位示圖法7.4.2 空閑塊表法7.4.3 空閑塊鏈表法7.4.4 成組鏈接法7.4.1 位示圖法 位示圖法的基本思想是利用一串二進(jìn)制位（bit）的值來(lái)反映磁盤(pán)空間的分配使用情況。每一個(gè)磁盤(pán)物理塊對(duì)應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制位，如果物理塊為空閑，則相應(yīng)的二進(jìn)制位0；如果物理塊已分配，則相應(yīng)的二進(jìn)制位為1，如圖7-8所示。有的系統(tǒng)把“0”作為盤(pán)塊已分配的標(biāo)志，把“1”作為空閑標(biāo)志，它們?cè)诒举|(zhì)上是相同的，都是用一位的兩種狀態(tài)來(lái)標(biāo)志空閑和已分配兩種情況。7.4.2 空閑塊表法 文件系統(tǒng)建立一張空閑塊表

13、，該表記錄了全部空閑的物理塊：包括表項(xiàng)序號(hào)、首空閑塊和空閑塊個(gè)數(shù)，這些表項(xiàng)按照起始盤(pán)塊號(hào)遞增的次序排列。空閑塊表方式特別適合于文件物理結(jié)構(gòu)為順序結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)。 建立新文件時(shí)，系統(tǒng)查找空閑塊表，尋找合適的表項(xiàng)，分配一組連續(xù)的空閑塊。如果對(duì)應(yīng)表項(xiàng)所擁有的空閑塊個(gè)數(shù)恰好等于所申請(qǐng)值，就將該表項(xiàng)從空閑塊表中刪去。當(dāng)刪除文件時(shí)，系統(tǒng)收回它所占有的物理塊，考慮是否可以與原有空閑塊相鄰，合并成更大的空閑區(qū)域，最后修改有關(guān)表項(xiàng)。7.4.3 空閑塊鏈表法 如圖7-10所示，系統(tǒng)將所有的空閑物理塊連成一個(gè)鏈，用一個(gè)空閑塊首指針指向第一個(gè)空閑塊，然后每個(gè)空閑塊含有指向下一個(gè)空閑塊的指針，最后一塊的指針為空，表示鏈

14、尾。 圖7-10 空閑塊鏈表 7.4.4 成組鏈接法 對(duì)空閑塊鏈表的改進(jìn)是將空閑盤(pán)塊分成若干組，每一組空閑盤(pán)塊的地址存放在上一個(gè)空閑盤(pán)塊組的第一個(gè)空閑塊中，該組中其余n-1個(gè)空閑盤(pán)塊是實(shí)際空閑的，如圖7-11所示。假設(shè)每100個(gè)空閑塊為一組。通常第一組可能不足100塊，第一組空閑盤(pán)塊的地址（塊號(hào)）通常放在一個(gè)專(zhuān)用塊中，專(zhuān)用塊的第1個(gè)單元給出下一組空閑盤(pán)塊的個(gè)數(shù)，第2個(gè)單元以后存放下一組空閑盤(pán)塊的地址（塊號(hào)）；第二組有100個(gè)空閑盤(pán)塊，其地址（塊號(hào)）放在第一組中的第一個(gè)空閑盤(pán)塊中，該塊的第1個(gè)單元給出第二組空閑盤(pán)塊的個(gè)數(shù)，第2個(gè)單元以后存放第二組空閑盤(pán)塊的地址（塊號(hào)）； 依次類(lèi)推，組與組之間形成

15、鏈接關(guān)系。最后一組有99個(gè)空閑盤(pán)塊，其地址（塊號(hào)）放在前一組中的第一個(gè)空閑盤(pán)塊中，而該塊的第二個(gè)單元填“0”，表示該塊中存放的是最后一組的塊號(hào)，空閑鏈接到此結(jié)束。這種方式成為成組鏈接。7.5 文件的共享與安全7.5.1 文件的共享7.5.2 文件系統(tǒng)的安全性 7.5.3 數(shù)據(jù)一致性控制 7.5.1 文件的共享1.繞道法 在繞道法中，用戶(hù)對(duì)所有文件的訪問(wèn)都是相對(duì)于當(dāng)前目錄進(jìn)行的，當(dāng)所訪問(wèn)的共享文件不在當(dāng)前目錄下時(shí)，從當(dāng)前目錄出發(fā)向上返回到與共享文件所在路徑的交叉點(diǎn)，再沿路徑下行到共享文件。 繞道法要求用戶(hù)指定到達(dá)被共享文件的路徑，并要回溯訪問(wèn)多級(jí)目錄。因此，共享其他目錄下的文件的搜索速度較慢。2

16、.鏈接法 鏈接法是將一個(gè)目錄中的鏈接指針直接指向共享文件的目錄項(xiàng)，如圖7-13所示，在子目錄Us1中以文件名u2共享子目錄er2abc下的文件c，文件u2的目錄項(xiàng)中用一指針指向文件c的目錄項(xiàng)，從而可從子目錄Us1下以文件名u2訪問(wèn)共享文件，也可從子目錄abc下以文件名c訪問(wèn)共享文件。 圖7-13 鏈接法共享文件 3.基本文件目錄法 該方法是在文件目錄分解為基本目錄和符號(hào)目錄的前提下實(shí)現(xiàn)的。只要在不同的符號(hào)目錄中使用相同的文件內(nèi)部標(biāo)識(shí)符，就可實(shí)現(xiàn)文件的共享。如圖7-14所示，文件b.c和文件tt.c就是在使用不同的名字共享一個(gè)文件。圖中文件系統(tǒng)把0作為基本文件目錄的標(biāo)識(shí)符，1作為空文件目錄的標(biāo)識(shí)

17、符，2作為主文件目錄（根目錄）的標(biāo)識(shí)符。在圖中，主目錄有兩個(gè)用戶(hù)目錄，ID=3是用戶(hù)wang的文件目錄，ID=4是用戶(hù)zhang的文件目錄。wang用文件名tt.c訪問(wèn)ID=6的共享文件，zhang用文件名b.c訪問(wèn)ID=6的共享文件。 圖7-14 基本文件目錄法共享文件 4.利用符號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)文件共享 用戶(hù)H為了共享用戶(hù)C的一個(gè)文件f，由系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)LINK類(lèi)型的新文件，將新文件寫(xiě)入H的用戶(hù)目錄中，在新文件中只包含被鏈接文件f的路徑名，這樣的鏈接方法稱(chēng)為符號(hào)鏈接法。當(dāng)H要訪問(wèn)被鏈接的LINK類(lèi)型的文件f時(shí)，被操作系統(tǒng)截獲，操作系統(tǒng)根據(jù)新文件中的路徑名去讀該文件，于是就實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)H對(duì)文件f的共享。

18、5.基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式 在樹(shù)型結(jié)構(gòu)的目錄中，當(dāng)有兩個(gè)（或多個(gè)）用戶(hù)要共享一個(gè)子目錄或文件時(shí)，必須將共享文件或目錄鏈接到兩個(gè)(或多個(gè))用戶(hù)的目錄中，以便能方便的找到該文件。 7.5.2 文件系統(tǒng)的安全性1.防止人為因素造成的文件不安全性 （1）隱藏文件和目錄 （2）口令 （3）文件加密 （4）制定訪問(wèn)權(quán)限 2.防止系統(tǒng)因素或自然因素造成的文件不安全性 （1）壞塊管理 （2）磁盤(pán)容錯(cuò)技術(shù)7.5.3 數(shù)據(jù)一致性控制 為了解決文件系統(tǒng)的不一致問(wèn)題，一些系統(tǒng)會(huì)帶有一個(gè)實(shí)用程序以檢驗(yàn)文件系統(tǒng)的一致性。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，特別是崩潰之后重新啟動(dòng)時(shí)，可以運(yùn)行該程序。下面介紹幾種常見(jiàn)的一致性檢查方法。1重復(fù)文件的一致性檢查 2 磁盤(pán)塊的一致性檢查 3鏈接數(shù)的一致性檢查 7.6 典型例題講解 【例7.1】文件系統(tǒng)中，文件訪問(wèn)控制信息儲(chǔ)存的合理位置是_。A文件控制塊B文件分配表C用戶(hù)口令表D系統(tǒng)注冊(cè)表解析：在文件控制塊（FCB）中，通常含有以下三類(lèi)信息，即文件基本信息、存取控制信息和使用信息。