操作系統(tǒng)(文件系統(tǒng))知識點介紹

第7章文件系統(tǒng)主要內(nèi)容：文件的概念，文件結構和存取方法，文件目錄結構，文件訪問系統(tǒng)調(diào)用，文件存儲空間布局與管理，文件保護，文件系統(tǒng)的基本模型。重點：文件的概念，文件的邏輯結構、物理結構。難點：存取方法，文件目錄及其組織結構。1為了方便使用、管理系統(tǒng)公共程序和數(shù)據(jù)以及用戶自己的程序和數(shù)據(jù)。文件系統(tǒng)的基礎：大容量磁盤。為了對外存儲器空間管理和對其上文件的按名訪問而引入文件系統(tǒng)。為什么引入文件和文件系統(tǒng)21.文件系統(tǒng)的功能支持文件所占存儲介質(zhì)空間的分配/釋放；支持文件相對起始數(shù)據(jù)的邏輯塊定位到外存上的物理塊；支持對文件訪問的安全檢查；支持對文件的訪問。2.將文件系統(tǒng)類比頁式存儲管理頁式存儲管理將一個進程分頁存放于主存，頁表是邏輯頁到物理頁的定位信息；文件系統(tǒng)將一個文件分塊存放于外存，文件控制塊包含文件的定位信息。33.按用途分類文件系統(tǒng)文件如操作系統(tǒng)核心目標代碼文件，驅(qū)動程序文件，注冊庫配置文件。庫文件，實用程序文件如UNIX中的ls，more等程序；windows中的.dll，.exe。其他文件如用戶源程序文件，數(shù)據(jù)文件，各種應用程序用的數(shù)據(jù)文件。47.1文件結構

7.1.1文件概念文件是由創(chuàng)建者所定義的一組相關的信息集合，這些信息包括程序和數(shù)據(jù)。文件的主要屬性包括：文件名，文件類型，文件長度，創(chuàng)建者，創(chuàng)建時間，修改時間，文件定位信息，文件所包含的信息。57.1.2文件的邏輯結構

流式文件（文件的格式由使用者解釋）UNIX的字節(jié)流文件；流式文件為了便于存放，可被等分成塊。記錄式文件（OS解釋記錄控制字）等長邏輯記錄文件；變長邏輯記錄文件。記錄號學號姓名班級各科成績計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)結構操作系統(tǒng)…0031001張宏網(wǎng)通0301858070…1031002黎明網(wǎng)通0301788590…2032003王浩電商0302809185…┆┆┆┆┆┆┆…01…n-16文件的訪問方式

順序訪問

程序依次訪問文件中的信息，操作系統(tǒng)自動記錄文件訪問的當前位置。磁帶、磁盤可采用這種方式。直接（隨機）訪問程序讀/寫時直接給出要訪問數(shù)據(jù)的邏輯位置（如第幾個字節(jié)或第幾個記錄）及長度，由OS將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址并訪問之。磁盤訪問模式。77.1.3文件的物理存儲

文件存儲器的物理特性磁帶順序訪問設備→要求文件順序存放于磁帶上。磁帶設備的存取速度（或信息傳輸率）與信息密度（字符數(shù)/英寸）、磁帶帶速（英寸/秒）和塊間間隙有關。8磁盤

直接（隨機）訪問設備→文件可順序、鏈接式或隨機（通過類似頁表的索引結構訪問）存放于設備上。光盤定位速度快，可直接訪問，但往往是一次性寫入，不可刪除和重寫文件。一般是連續(xù)地存放。物理記錄與邏輯記錄的關系對直接訪問設備等分成物理塊，稱為物理記錄，利于空間的分配/釋放和讀/寫。需實現(xiàn)邏輯記錄到物理記錄的映射。9文件的物理組織方法

順序結構文件順序連續(xù)存放于文件存儲器上（如磁帶文件，光盤文件）。 記錄1記錄2記錄3記錄m……LLL1記錄1L2記錄2Lm記錄m……等長記錄文件連續(xù)存放結構變長記錄文件連續(xù)存放結構主要優(yōu)點：1）順序訪問容易；2）順序訪問速度快。主要缺點：

1）必須已知文件的最大長度；2）擴展性差，不宜用來存放用戶文件、數(shù)據(jù)庫文件等經(jīng)常被修改的文件。

10鏈接結構（串聯(lián)文件）文件不連續(xù)地存放于文件存儲器上，但使用指針按文件數(shù)據(jù)順序?qū)⑵滏溄悠饋?。文件起始塊結束塊Myfile1425Count2016Mail3027物理塊號邏輯塊號0123文件的鏈接結構連接指針142020882525-1優(yōu)點：能夠利用每一個存儲塊，不會因為磁盤碎片而浪費存儲空間。缺點：①指針要占用字節(jié)，降低了系統(tǒng)的運行效率和減少了存儲空間。②搜索效率低；③只適應邏輯上連續(xù)文件，且順序存取。11索引塊文件Myfile3Count5Mail301482520物理塊號邏輯塊號01412028325圖9-13索引結構由于這些物理塊是不連續(xù)的，邏輯文件信息的連續(xù)性是通過索引表中記錄的物理塊的塊號反映出來，因此把這個文件的物理結構稱為索引結構，或索引文件。索引表索引結構文件不連續(xù)存放于文件存儲器上，使用一張索引表來定位文件中的數(shù)據(jù)。主要問題：1）可能要花費較多的外存空間。對于小文件采用索引文件時，其索引塊的利用率將是極低的。2）當文件很大時，文件索引表比較大。若索引表的大小超過了一個物理塊，則必須把索引表以文件形式存放。這不利于索引表的動態(tài)增加；索引表也可按串聯(lián)方式存放。這卻增加了存放索引表的時間開銷。1211031105┇┇1100文件索引塊myfile3┇

┇300400500┇1100┇主索引100105┇第二級索引30001┇100┇105┇1103┇1105┇磁盤空間圖9-14多級索引結構多級索引：索引表所指的物理塊中存放的不是文件信息，而是裝有這些信息的物理塊地址。注：

若一個物理塊可裝下n個物理塊地址，則經(jīng)過二級索引，可尋址的文件長度將變?yōu)閚*n塊。若文件長度大于n*n塊，則可用三級索引、四級索引等方式。13索引結構不僅適應于順序存取，也適應于隨機存取。缺點是：⑴增加了存儲空間的開銷。⑵在存取文件時需要至少訪問存儲器二次以上。一次是訪問索引表，另一次根據(jù)索引表提供的物理塊號訪問文件信息。改進的方法：當對某個文件進行操作之前，系統(tǒng)預先把索引表放入內(nèi)存。因此，文件的存取就可直接在內(nèi)存通過索引表確定物理地址塊號，而訪問磁盤的動作只需要一次。

147.1.4文件控制塊

OS觀點：文件包含文件控制塊和文件體。文件控制塊（FCB）：是一張用于存放文件的標識、定位、說明和控制等信息的表格。文件控制塊（FCB）的主要內(nèi)容：文件名；用戶名；存放方式：順序結構，索引結構物理位置：如索引表；創(chuàng)建、修改時間、保存時間；口令：用于對文件訪問進行驗證；操作限制：如讀、寫、執(zhí)行權限說明；共享說明（UNIX中是與操作限制一起說明）。157.2文件目錄結構

文件目錄：是一種數(shù)據(jù)結構，用于表示系統(tǒng)中的文件及其物理地址，供檢索時使用。對目錄管理的要求：1）操作系統(tǒng)實現(xiàn)對文件信息的“按名存取”；2）能提高對目錄的檢索速度，方便靈活地存取信息；3）允許文件重名；4）便于文件共享和保密。

方法：一般用文件目錄的方法來管理文件，每個文件有一個目錄項。可形象地理解文件目錄為“文件名址錄”——它是記錄所有文件的名字及它代表的文件存放地址的目錄表。16cattestdata…record文件1文件2文件3文件n文件目錄文件7.2.1一級目錄結構一級目錄結構：為外存上的全部文件設立一張線性排列的目錄表，包含所有文件的FCB。每建立一個新文件即在目錄中增加一個FCB，每當刪除一個文件即刪除對應的FCB，當要訪問一個文件時，先按文件名在目錄中找到對應的文件FCB。17一級目錄通常按卷（可理解為一盤磁帶，一個邏輯磁盤）構造，即把一卷中的全部文件形成一級目錄表，保存在該卷的固定區(qū)域，使用時先將目錄表讀到內(nèi)存。優(yōu)點：簡單，實現(xiàn)容易，能實現(xiàn)“按名存取”。缺點：1）當系統(tǒng)中的文件數(shù)很多時，則查找時間長；2）易發(fā)生重名問題；3）不便于實現(xiàn)文件共享。187.2.2二級目錄結構

基本思想：1）第一級為主文件目錄MFD(MasterFileDirectory)，主文件目錄以用戶名為索引，對每個用戶都設置一個指向用戶文件目錄的指針。2）第二級為用戶文件目錄UFD(UserFileDirectory)，用戶文件目錄為本用戶的每一個文件設置一個目錄項。19User1User2User3User4主文件目錄文件ATestDataATestDataAATest用戶文件目錄二級目錄結構優(yōu)點：按名查找文件的時間減少，一定程度上解決同名問題。缺點：1）若一個用戶擁有的文件數(shù)越多，則在他的目錄中查找一個文件所花費的時間就越長。

2）用戶無法對自己的文件進行再分類安排。系統(tǒng)文件怎么放？20根目錄(root)用戶目錄User1User2User3User4ATestDataTestDataAATestBA用戶子目錄樹形目錄結構7.2.3樹形目錄結構多級目錄結構象一棵倒置的有根樹，故稱為樹形目錄結構。樹型目錄結構即是目錄的層次結構。路徑名絕對路徑名當前目錄相對路徑名21樹形目錄結構的特點如下：1.解決了重名問題；2.層次清楚；3.提高檢索文件的速度；4.能進行存取權限的控制，在子目錄中可規(guī)定存取權限，則檢索文件時需核對存取權限，可實現(xiàn)對文件的保護和保密。若文件在當前目錄中，則存取文件時只要指出文件名就行，文件系統(tǒng)將在當前目錄中尋找該文件。若文件不在當前目錄中，但在當前目錄的下級目錄中，則可用相對路徑名指定文件，文件系統(tǒng)就從當前目錄開始沿著指定的路徑查找該文件。例如：

絕對路徑名root/user1/A/B相對路徑名A/B22DictspellListallwcountcountwordslistListradew7root圖9-4無環(huán)圖目錄結構7.2.4無環(huán)圖目錄結構引入原因：樹形目錄結構不便于實現(xiàn)文件共享。無環(huán)圖目錄結構或文件：允許若干目錄共同描述或共同指向被共享的子目錄或文件。缺點：1）可能重復遍歷圖中的某些節(jié)點；

2）刪除共享節(jié)點時可能會產(chǎn)生懸掛指針。3）共享時難以保證FCB的一致；237.3文件存儲器空間布局與管理1.文件存儲器空間的劃分與初始化

文件存儲于文件卷中，文件卷可以是一個物理盤，也可以是一個物理盤的一部分，一個支持超大型文件的文件卷也可以由多個物理盤組成。參見下圖：目錄區(qū)文件區(qū)目錄區(qū)文件區(qū)目錄區(qū)文件區(qū)卷1卷2盤1卷3盤2盤324

2.文件存儲器空間管理文件區(qū)和目錄區(qū)自由空間表示（將盤空間等分成物理塊）：位向量（bitmap表）。某一柱面中的扇區(qū)按約定方法順序編號，每一物理塊由bitmap表中的一位表示，1表示占用，0表示空閑?？臻e塊鏈表。將所有空閑塊線性鏈接或成組鏈接。查找效率低。25將空閑塊成組鏈接可以減少訪盤次數(shù)nnnn+n

1

2

+1

+2

0

注：位向量、第一個成組鏈塊以及目錄區(qū)、文件區(qū)劃分信息都必須存放在輔助存儲器中，一般存放在卷頭，UNIX中稱為“超級塊”267.4文件訪問系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)提供文件創(chuàng)建、刪除、打開、關閉、讀、寫等系統(tǒng)調(diào)用作為用戶編程界面。目錄可以看出是特殊的文件，目錄由目錄項組成，目錄項可以是文件控制塊或文件名字和文件控制塊索引信息。27文件的建立與刪除CREATE系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)包括：文件名（路徑名）；設備名（卷名）；文件說明和控制信息（FCB中要用戶提供的信息）。DELETE：給出文件名參數(shù)7.4.1傳統(tǒng)文件系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)

28CREATE系統(tǒng)調(diào)用大致處理過程：檢查參數(shù)合法性；在文件目錄結構中的適當位置建立一個文件控制塊FCB；將參數(shù)填入FCB；分配文件所存放的外存空間，建立索引表，填入FCB中。DELETE文件系統(tǒng)調(diào)用過程：檢查參數(shù)，得到文件名（路徑名）；按名查找文件目錄結構，找到文件的FCB；按FCB中的索引表釋放文件所占外存空間；從文件目錄結構中刪除FCB。29文件的打開與關閉

OPEN系統(tǒng)調(diào)用處理過程：檢查參數(shù)，獲得文件名（路徑名）；按名查找文件目錄結構，找到文件的FCB；將FCB拷貝入內(nèi)存，存入內(nèi)存活躍文件目錄表中；建立一張本次打開的文件讀寫狀態(tài)信息表，將當前訪問指針指向文件首部；將文件讀寫狀態(tài)信息表的地址存于進程PCB中的資源描述區(qū)的“打開文件表”中，返回其索引號fd作為本次調(diào)用的返回值。30PCB活躍文件目錄表讀寫狀態(tài)信息表打開文件表打開文件表、文件讀寫狀態(tài)信息表、活躍文件目錄表的關系如圖所示。內(nèi)存fd31CLOSE系統(tǒng)調(diào)用管理過程：檢查參數(shù)，獲得fd；按fd在PCB中的“打開文件表”中得到文件讀寫狀態(tài)信息表的指針，釋放文件讀寫狀態(tài)信息表，如果活動文件目錄表中FCB不再使用，則釋放該FCB所占的空間。32文件的讀寫讀寫參數(shù)包括：fd；起始邏輯地址（默認時即當前訪問地址，一般存于讀寫狀態(tài)信息表）；長度；讀寫信息用戶區(qū)地址。33文件的讀寫Read/Write系統(tǒng)調(diào)用大致處理過程如下：核實參數(shù)，按fd獲得文件讀寫狀態(tài)信息表，獲得活躍文件目錄表中的FCB。核實操作許可。按FCB中定位信息將要讀寫的邏輯地址轉(zhuǎn)化成物理地址。（如寫，則將數(shù)據(jù)從用戶區(qū)復制到系統(tǒng)區(qū)）將物理地址、內(nèi)存地址、長度等參數(shù)填好，調(diào)用外存驅(qū)動程序進行I/O操作（如讀，則將系統(tǒng)區(qū)數(shù)據(jù)復制到用戶區(qū)）。347.5文件保護

文件可能發(fā)生兩種破壞情形可靠性問題：系統(tǒng)死機等導致文件卷數(shù)據(jù)破壞，可以通過備份文件避免損失。文件保護問題：不正確的訪問方式或非受權訪問，可通過訪問控制解決。357.5.1文件訪問保護

口令創(chuàng)建文件時提供一個口令，存于FCB中，要對文件訪問時，系統(tǒng)核對該口令。優(yōu)點：容易理解，容易實現(xiàn)。缺點：1）由于口令簡單，經(jīng)常被內(nèi)行人破譯。2）口令也容易遺忘、記錯。

加密保護將數(shù)據(jù)寫入文件時，對寫入數(shù)據(jù)加密，讀出時進行解密。訪問者必須提供密鑰（特例：UNIX中password中的口令加密后寫入，無需解密讀出）。36

訪問控制檢查用戶對文件的訪問權限與本次訪問是否一致。訪問控制矩陣:一維列出全部用戶，二維列出所有文件，Cij

值是i用戶對j文件訪問權限。

用戶權限文件名ChenWangZhangLiA.cRERRWEB.cRWEREWC.cWWWED.cRWRRWEE.cRERRWR訪問控制矩陣

37用戶類

訪問權限

owerRWE同組

RE其他

E

簡化訪問表：在文件中針對文件主、同組用戶和其他用戶給出訪問權限。38計算機7.5.2文件備份批量備份全量轉(zhuǎn)儲：把全部文件定期復制到后備存儲器上。增量轉(zhuǎn)儲：把上次轉(zhuǎn)儲以來改過的文件和新文件轉(zhuǎn)儲

同步備份鏡像盤支持。在對磁盤寫操作的同時，對稱地寫其鏡像盤；雙機動態(tài)文件備份：指用兩臺機器在文件寫操作時完全對稱地工作，保證當一臺機器出錯時，另一臺機器還可以接著往下做。397.6文件系統(tǒng)的基本模型文件管理模塊：負責文件的建立、刪除、讀/寫、修改等，以及對文件目錄結構和存儲介質(zhì)實施管理。一般地，OS的文件系統(tǒng)只提供讀/寫文件信息的支持而不解釋其信息內(nèi)涵，內(nèi)涵由各讀/寫文件的應用程序去解釋。文件系統(tǒng)的優(yōu)點方便靈活：用戶不用考慮文件在物理存儲器上的存放。安全可靠：可進行訪問限制，可進行文件數(shù)據(jù)備份與恢復。方便共享使用，可按名訪問。40文件系統(tǒng)的