操作系統(tǒng) 第七章 文件管理

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第七章文件管理本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護(hù)7.1文件和文件系統(tǒng)7.1.1文件、記錄和數(shù)據(jù)項(xiàng)1．?dāng)?shù)據(jù)項(xiàng)

最低級(jí)的數(shù)據(jù)組織形式，可把它分成以下兩種類(lèi)型：（1）基本數(shù)據(jù)項(xiàng)。用于描述一個(gè)對(duì)象的某種屬性的字符集。是數(shù)據(jù)組織中可以命名的最小邏輯數(shù)據(jù)單位，即原子數(shù)據(jù)，又稱(chēng)為數(shù)據(jù)元素或字段。（2）組合數(shù)據(jù)項(xiàng)。它是由若干個(gè)基本數(shù)據(jù)項(xiàng)組成的，簡(jiǎn)稱(chēng)組項(xiàng)。根據(jù)屬性的不同，需要用不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)描述。

2．記錄

記錄是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，用于描述一個(gè)對(duì)象在某方面的屬性。例如，一個(gè)學(xué)生使用學(xué)號(hào)、姓名、年齡及所在系班。關(guān)鍵字是惟一能標(biāo)識(shí)一個(gè)記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)。如：學(xué)號(hào)。

7.1.1文件、記錄和數(shù)據(jù)項(xiàng)

3．文件文件是具有文件名的一組相關(guān)元素的集合。文件結(jié)構(gòu)分為兩種：有結(jié)構(gòu)的文件中，文件由若干個(gè)相關(guān)記錄組成；無(wú)結(jié)構(gòu)文件則被看成是一個(gè)字符流。文件在文件系統(tǒng)中是一個(gè)最大的數(shù)據(jù)單位；文件必須有文件名，通常由一串ASCII碼或漢字構(gòu)成。

7.1.1文件、記錄和數(shù)據(jù)項(xiàng)

文件的屬性可以包括：（1）文件類(lèi)型。如源文件、目標(biāo)文件等（2）文件長(zhǎng)度。單位可以是塊，字或字節(jié)。（3）文件的物理位置。指示文件在哪一個(gè)設(shè)備上以及在該設(shè)備的哪個(gè)位置的指針。（4）文件的建立時(shí)間。這是指文件最后一次的修改時(shí)間等。3．文件7-17.1.2文件類(lèi)型為了便于管理和控制文件而將文件分成若干種類(lèi)型。常用的幾種文件分類(lèi)方法：1）按用途分三類(lèi)：系統(tǒng)，用戶(hù)，庫(kù)文件。2）按文件中數(shù)據(jù)的形式：源，目標(biāo)以及可執(zhí)行文件。3）按存取控制屬性：只執(zhí)行，只讀，讀寫(xiě)。文件系統(tǒng)分為三個(gè)層次：7.1.3文件系統(tǒng)的層次模型7-21）對(duì)象及其屬性對(duì)象有：文件，目錄，磁盤(pán)存儲(chǔ)空間。2）對(duì)對(duì)象操縱和管理的軟件集合核心部分，包括：文件存儲(chǔ)空間的管理，文件目錄的管理，邏輯地址與物理地址轉(zhuǎn)換機(jī)制，文件讀寫(xiě)管理，文件共享與保護(hù)等。3）文件系統(tǒng)的接口向用戶(hù)提供兩種接口：命令（終端鍵入命令）和程序（系統(tǒng)調(diào)用）。7.1.3文件系統(tǒng)的層次模型7.1.4文件操作用戶(hù)通過(guò)文件系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用實(shí)施對(duì)文件的操作。1.最基本的文件操作有：創(chuàng)建文件（分配外存，建立目錄項(xiàng)）、刪除文件（置空目錄項(xiàng)）、讀文件、寫(xiě)文件、截?cái)辔募ㄔ形募L(zhǎng)度置0）和設(shè)置文件的讀／寫(xiě)位置（改變始終從始端開(kāi)始讀/寫(xiě)操作）。2.文件的“打開(kāi)”和“關(guān)閉”操作：

“打開(kāi)”(open)，是指系統(tǒng)將指名文件的屬性（包括該文件在外存上的物理位置）從外存拷貝到內(nèi)存打開(kāi)文件表的一個(gè)表目中，并將該表目的編號(hào)（或稱(chēng)為索引）返回給用戶(hù)。

“關(guān)閉”（close）系統(tǒng)調(diào)用來(lái)關(guān)閉此文件，OS將會(huì)把該文件從打開(kāi)文件表中的表目上刪除掉。3．其它文件操作：

對(duì)文件屬性的操作，改變文件名、改變文件的擁有者，查詢(xún)文件的狀態(tài)等7.1.4文件操作本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護(hù)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)

文件是由一系列的記錄組成的。對(duì)于任何一個(gè)文件，都存在著以下兩種形式的結(jié)構(gòu)：（1）文件的邏輯結(jié)構(gòu)從用戶(hù)觀點(diǎn)出發(fā)所觀察到的文件組織形式。（2）文件的物理結(jié)構(gòu)指文件在外存上的存儲(chǔ)組織形式。7.2.1文件邏輯結(jié)構(gòu)的類(lèi)型★文件的邏輯結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：（1）有結(jié)構(gòu)文件：是指由一個(gè)以上的記錄構(gòu)成的文件，故又把它稱(chēng)為記錄式文件；記錄的長(zhǎng)度可分為定長(zhǎng)和不定長(zhǎng)兩類(lèi)?？刹捎枚喾N方式組織記錄，形成不同的文件：①順序文件：是由一系列記錄按某種順序排列所形成的文件。②索引文件：當(dāng)記錄為可變長(zhǎng)度時(shí)，通常為之建立一張索引表。③索引順序文件：它為文件建立一張索引表，為每一組記錄中的第一個(gè)記錄設(shè)置一個(gè)表項(xiàng)?！镂募倪壿嫿Y(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：（2）無(wú)結(jié)構(gòu)文件：是指由字符流構(gòu)成的文件，故又稱(chēng)為流式文件。無(wú)結(jié)構(gòu)的文件形式，即流式文件，其長(zhǎng)度以字節(jié)為單位在UNIX系統(tǒng)中，所有的文件都被看作是流式文件7.2.1文件邏輯結(jié)構(gòu)的類(lèi)型7.2.2順序文件1．邏輯記錄的排序文件中的記錄排列可歸納為以下兩種情況：①串結(jié)構(gòu)，各記錄之間的順序與關(guān)鍵字無(wú)關(guān)。通常的辦法是由時(shí)間來(lái)決定，即按存入時(shí)間的先后排列②順序結(jié)構(gòu)，指文件中的所有記錄按關(guān)鍵字排列。2．順序文件的優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn):

(1)對(duì)順序文件的存取效率是所有邏輯文件中最高的.(2)只有順序文件才能存儲(chǔ)在磁帶上，并能有效地工作。缺點(diǎn):(1)在交互應(yīng)用的場(chǎng)合，如果用戶(hù)（程序）要求查找或修改單個(gè)記錄，為此系統(tǒng)便要去逐個(gè)地查找諸記錄。(2)如果想增加或刪除一個(gè)記錄，都比較困難。7.2.2順序文件1)定長(zhǎng)記錄的順序文件如果已知當(dāng)前記錄的邏輯地址，便很容易確定下一個(gè)記錄的邏輯地址。在讀一個(gè)文件時(shí)，可設(shè)置一個(gè)讀指針Rptr。令它指向下一個(gè)記錄的首地址，每當(dāng)讀完一個(gè)記錄時(shí)，便執(zhí)行:Rptr：=Rptr十L（L為記錄長(zhǎng)度）7.2.3記錄尋址2）變長(zhǎng)記錄的順序文件在每次讀或?qū)懲暌粋€(gè)記錄后，須將讀或?qū)懼羔樇由螸i Wptr：=Wptr十Li（Li是剛讀或剛寫(xiě)完的記錄的長(zhǎng)度）7.2.4索引文件對(duì)于定長(zhǎng)記錄，可方便地實(shí)現(xiàn)直接存取。對(duì)于變長(zhǎng)記錄就較難實(shí)現(xiàn)直接存取，為了解決這一問(wèn)題，為變長(zhǎng)記錄文件建立一張索引表，索引表是按鍵排序的，可以方便地實(shí)現(xiàn)直接存取。7.2.5索引順序文件索引順序文件:將順序文件中的所有記錄分為若干個(gè)組,為順序文件建立一張索引表，在索引表中為每組中的第一個(gè)記錄建立一個(gè)索引項(xiàng)，其中含有該記錄的鍵值和指向該記錄的指針。索引順序文件文件檢索在對(duì)索引順序文件進(jìn)行檢索時(shí)，首先也是利用用戶(hù)(程序)所提供的關(guān)鍵字以及某種查找算法去檢索索引表，找到該記錄所在記錄組中第一個(gè)記錄的表項(xiàng)，從中得到該記錄組第一個(gè)記錄在主文件中的位置；然后，再利用順序查找法去查找主文件，從中找到所要求的記錄。文件檢索效率如果在一個(gè)順序文件中所含有的記錄數(shù)為N，則為檢索到具有指定關(guān)鍵字的記錄，平均須查找N/2個(gè)記錄；但對(duì)于索引順序文件，則為能檢索到具有指定關(guān)鍵字的記錄，平均只要查找個(gè)記錄數(shù)。例如，有一個(gè)順序文件含有10000個(gè)記錄，平均須查找的記錄數(shù)為5000個(gè)。但對(duì)于索引順序文件，則平均只須查找100個(gè)記錄?？梢?jiàn)，它的檢索效率是順序文件的50倍.7.2.6直接文件和哈希文件1．直接文件

對(duì)于直接文件，可根據(jù)給定的記錄鍵值，直接獲得指定記錄的物理地址。換言之，記錄鍵值本身就決定了記錄的物理地址。這種由記錄鍵值到記錄物理地址的轉(zhuǎn)換被稱(chēng)為鍵值轉(zhuǎn)換

。7.2.6直接文件和哈希文件2．哈希（Hash）文件：利用Hash函數(shù)，可將記錄鍵值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)記錄的地址。為了能實(shí)現(xiàn)文件存儲(chǔ)空間的動(dòng)態(tài)分配，通常由Hash函數(shù)所求得的并非是相應(yīng)記錄的地址，而是指向一目錄表相應(yīng)表目的指針，該表目的內(nèi)容指向相應(yīng)記錄所在的物理塊。本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護(hù)7.3文件目錄對(duì)目錄管理的要求如下：（1）實(shí)現(xiàn)“按名存取”。（2）提高對(duì)目錄的檢索速度。（3）文件共享。（4）允許文件重名。

7.3.1文件控制塊和索引結(jié)點(diǎn)1、文件控制塊為了能對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行正確的存取，必須為文件設(shè)置用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱(chēng)之為“文件控制塊（FCB）”

把文件控制塊的有序集合稱(chēng)為文件目錄。一個(gè)文件目錄也被看作是一個(gè)文件，稱(chēng)為目錄文件。1、文件控制塊（1）文件控制塊的基本信息①文件名；②文件物理位置；③文件邏輯結(jié)構(gòu)（表明文件是流式還是記錄式，定長(zhǎng)還是變長(zhǎng)等）；④文件物理結(jié)構(gòu)（順序文件，鏈?zhǔn)竭€是索引文件）。（2）存取控制信息類(lèi)存取權(quán)限（3）使用信息類(lèi)文件的建立日期和時(shí)間等。（1）索引結(jié)點(diǎn)的引入文件描述信息單獨(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。2．索引結(jié)點(diǎn)（2）磁盤(pán)索引結(jié)點(diǎn)包括以下內(nèi)容：文件主標(biāo)識(shí)符，文件類(lèi)型，存取權(quán)限，文件物理地址，文件長(zhǎng)度，文件連接計(jì)數(shù)（系統(tǒng)中所有指向該文件名的指針計(jì)數(shù)），文件存取時(shí)間。（3）內(nèi)存索引結(jié)點(diǎn)包括以下內(nèi)容：索引結(jié)點(diǎn)編號(hào)，狀態(tài)，訪問(wèn)計(jì)數(shù)，文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設(shè)備號(hào)，鏈接指針。2．索引結(jié)點(diǎn)7.3.2目錄結(jié)構(gòu)目錄結(jié)構(gòu)的組織，關(guān)系到文件系統(tǒng)的存取速度，也關(guān)系到文件的共享性和安全性。因此，組織好文件的目錄，是設(shè)計(jì)好文件系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。目前常用的目錄結(jié)構(gòu)形式有單級(jí)目錄、兩級(jí)目錄和多級(jí)目錄。1．單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)單級(jí)目錄的優(yōu)點(diǎn)：是簡(jiǎn)單且能實(shí)現(xiàn)目錄管理的基本功能——按名存取。單級(jí)目錄缺點(diǎn)：

（1）查找速度慢。（2）不允許重名。（3）不便于實(shí)現(xiàn)文件共享。適合單用戶(hù)環(huán)境。

1．單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)2.兩級(jí)目錄

為每一個(gè)用戶(hù)建立一個(gè)單獨(dú)的用戶(hù)文件目錄UFD，再建立一個(gè)主文件目錄MFD。在主文件目錄中，每個(gè)用戶(hù)目錄文件都占有一個(gè)目錄項(xiàng)，其目錄項(xiàng)中包括用戶(hù)名和指向該用戶(hù)目錄文件的指針兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：（1）提高了檢索目錄的速度。（2）在不同的用戶(hù)目錄中，可以使用相同的文件名。（3）不同用戶(hù)還可使用不同的文件名來(lái)訪問(wèn)系統(tǒng)中的同一個(gè)共享文件。

2.兩級(jí)目錄

7.3.3樹(shù)形結(jié)構(gòu)目錄（多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)）（1）目錄結(jié)構(gòu)：主目錄在這里被稱(chēng)為根目錄，把數(shù)據(jù)文件稱(chēng)為樹(shù)葉，其它的目錄均作為樹(shù)的結(jié)點(diǎn)。（2）路徑名從樹(shù)的根（即主目錄）開(kāi)始，把全部目錄文件名與數(shù)據(jù)文件名，依次地用“/”連接起來(lái)，即構(gòu)成該數(shù)據(jù)文件的路徑名（pathname）。系統(tǒng)中的每一個(gè)文件都有惟一的路徑名。（3）當(dāng)前目錄為每個(gè)進(jìn)程設(shè)置一個(gè)“當(dāng)前目錄”，又稱(chēng)為“工作目錄”進(jìn)程對(duì)各文件的訪問(wèn)都相對(duì)于“當(dāng)前目錄”而進(jìn)行。7.3.3樹(shù)形結(jié)構(gòu)目錄（多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)）增加目錄在用戶(hù)要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，只需查看在自己的UFD及其子目錄中，有無(wú)與新建文件相同的文件名。若無(wú)，便可在UFD或其某個(gè)子目錄中增加一個(gè)新目錄項(xiàng)。目錄刪除采用下述兩種方法處理：（1）不刪除非空目錄。（2）可刪除非空目錄。

（4）增加和刪除目錄7.3.4目錄查詢(xún)技術(shù)★對(duì)目錄進(jìn)行查詢(xún)的方式有兩種：線性檢索法和Hash方法。

1．線性檢索法線性檢索法又稱(chēng)為順序檢索法。①在單級(jí)目錄中，利用用戶(hù)提供的文件名，用順序查找法直接從文件目錄中找到指名文件的目錄項(xiàng)。②在樹(shù)型目錄中，用戶(hù)提供的文件名是由多個(gè)文件分量名組成的路徑名，此時(shí)須對(duì)多級(jí)目錄進(jìn)行查找。1．線性檢索法假定用戶(hù)給定的文件路徑名是/usr/ast/mbox，則查找/usr/ast/mbox文件的過(guò)程如圖7-12所示Hash方法:建立了一張Hash索引文件目錄，系統(tǒng)利用用戶(hù)提供的文件名并將它變換為文件目錄的索引值，再利用該索引值到目錄中去查找。Hash方法將顯著地提高檢索速度。在文件名中使用了通配符“*”、“？”等，系統(tǒng)便無(wú)法利用Hash法檢索目錄，因此，需要利用線性查找法查找目錄。2．Hash方法在進(jìn)行文件名的轉(zhuǎn)換時(shí)，有可能把”n個(gè)不同的文件名轉(zhuǎn)換為相同的Hash值，稱(chēng)謂的“Hash沖突”。Hash查找過(guò)程：①在利用Hash值查找目錄時(shí)，如果目錄表中相應(yīng)的目錄項(xiàng)是空的，則表示系統(tǒng)中并無(wú)指定文件。②如果目錄項(xiàng)中的文件名與指定文件名相匹配，則表示該目錄項(xiàng)正是所要尋找的文件所對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)，故而可從中找到該文件所在的物理地址。③如果在目錄表的相應(yīng)目錄項(xiàng)中的文件名與指定文件名并不匹配，則表示發(fā)生了“Hash沖突”。2．Hash方法解決Hash沖突的方法：將其Hash值再加上一個(gè)常數(shù)（該常數(shù)應(yīng)與目錄的長(zhǎng)度值互質(zhì)），形成新的索引值，再返回到第一步重新開(kāi)始查找。2．Hash方法本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護(hù)7.4文件共享文件共享即指系統(tǒng)應(yīng)允許多個(gè)用戶(hù)（進(jìn)程）共享同一份文件。在系統(tǒng)中只需保留該共享文件的一份副本。當(dāng)前常用的兩種文件共享方法:（1）基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式（2）利用符號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)文件共享

7.4.1基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式

7.4.1基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式

7.4.1基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式7.4.2利用符號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)文件共享

為使B能共享C的一個(gè)文件F，可以由系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)LINK類(lèi)型的新文件，也取名為F并將F寫(xiě)入B的目錄中，以實(shí)現(xiàn)B的目錄與文件F的鏈接；在新文件中只包含被創(chuàng)文件F的路徑名。這樣的鏈接方法被稱(chēng)為符號(hào)鏈接.新文件中的路徑名，則只被看作是符號(hào)鏈。當(dāng)B要訪問(wèn)被鏈接的文件F且正要讀LINK類(lèi)新文件時(shí)，將被OS截獲，OS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)B對(duì)文件F的共享。在利用符號(hào)鏈方式實(shí)現(xiàn)文件共享時(shí)，只是文件主才擁有指向其索引結(jié)點(diǎn)的指針，而共享該文件的其它用戶(hù)，則只有該文件的路徑名，并不擁有指向其索引結(jié)點(diǎn)的指針。符號(hào)鏈方式優(yōu)點(diǎn)：能連接任何機(jī)器上的文件。每增加一個(gè)連接，就增加一個(gè)文件名，各用戶(hù)使用自己的名字去共享文件。缺點(diǎn)：備份是可能會(huì)產(chǎn)生多個(gè)拷貝。7.4.2利用符號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)文件共享

本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護(hù)7.5文件保護(hù)影響文件安全性的因素：（1）人為因素。（2）系統(tǒng)因素。（3）自然因素。采取的措施（1）存取控制，防止由人為因素所造成的文件不安全性；（2）系統(tǒng)容錯(cuò)技術(shù)，防止系統(tǒng)部分的故障所造成的文件的不安全性；（3）建立后備系統(tǒng)，防止由自然因素造成的不安全性。7.5.1保護(hù)域1.訪問(wèn)權(quán)由系統(tǒng)來(lái)控制進(jìn)程對(duì)對(duì)象的訪問(wèn)；對(duì)象：硬件，軟件；對(duì)對(duì)象施加的操作：讀，寫(xiě)，執(zhí)行。訪問(wèn)權(quán)：一個(gè)進(jìn)程能對(duì)某對(duì)象執(zhí)行操作的權(quán)力，用一個(gè)有序?qū)Γ▽?duì)象名，權(quán)集）表示；（F1，{R/W})表示某進(jìn)程