操作系統(tǒng)(文件系統(tǒng))知識(shí)點(diǎn)介紹

第7章文件系統(tǒng)主要內(nèi)容：文件的概念，文件結(jié)構(gòu)和存取方法，文件目錄結(jié)構(gòu)，文件訪問(wèn)系統(tǒng)調(diào)用，文件存儲(chǔ)空間布局與管理，文件保護(hù)，文件系統(tǒng)的基本模型。重點(diǎn)：文件的概念，文件的邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)：存取方法，文件目錄及其組織結(jié)構(gòu)。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(chǔ)：大容量磁盤。為了對(duì)外存儲(chǔ)器空間管理和對(duì)其上文件的按名訪問(wèn)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(chǔ)介質(zhì)空間的分配/釋放；支持文件相對(duì)起始數(shù)據(jù)的邏輯塊定位到外存上的物理塊；支持對(duì)文件訪問(wèn)的安全檢查；支持對(duì)文件的訪問(wèn)。2.將文件系統(tǒng)類比頁(yè)式存儲(chǔ)管理頁(yè)式存儲(chǔ)管理將一個(gè)進(jìn)程分頁(yè)存放于主存，頁(yè)表是邏輯頁(yè)到物理頁(yè)的定位信息；文件系統(tǒng)將一個(gè)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(biāo)代碼文件，驅(qū)動(dòng)程序文件，注冊(cè)庫(kù)配置文件。庫(kù)文件，實(shí)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(yīng)用程序用的數(shù)據(jù)文件。47.1文件結(jié)構(gòu)

7.1.1文件概念文件是由創(chuàng)建者所定義的一組相關(guān)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(zhǎng)度，創(chuàng)建者，創(chuàng)建時(shí)間，修改時(shí)間，文件定位信息，文件所包含的信息。57.1.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)

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(zhǎng)邏輯記錄文件；變長(zhǎng)邏輯記錄文件。記錄號(hào)學(xué)號(hào)姓名班級(jí)各科成績(jī)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(wèn)方式

順序訪問(wèn)

程序依次訪問(wèn)文件中的信息，操作系統(tǒng)自動(dòng)記錄文件訪問(wèn)的當(dāng)前位置。磁帶、磁盤可采用這種方式。直接（隨機(jī)）訪問(wèn)程序讀/寫(xiě)時(shí)直接給出要訪問(wèn)數(shù)據(jù)的邏輯位置（如第幾個(gè)字節(jié)或第幾個(gè)記錄）及長(zhǎng)度，由OS將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址并訪問(wèn)之。磁盤訪問(wèn)模式。77.1.3文件的物理存儲(chǔ)

文件存儲(chǔ)器的物理特性磁帶順序訪問(wèn)設(shè)備→要求文件順序存放于磁帶上。磁帶設(shè)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(guān)。8磁盤

直接（隨機(jī)）訪問(wèn)設(shè)備→文件可順序、鏈接式或隨機(jī)（通過(guò)類似頁(yè)表的索引結(jié)構(gòu)訪問(wèn)）存放于設(shè)備上。光盤定位速度快，可直接訪問(wèn)，但往往是一次性寫(xiě)入，不可刪除和重寫(xiě)文件。一般是連續(xù)地存放。物理記錄與邏輯記錄的關(guān)系對(duì)直接訪問(wèn)設(shè)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(xiě)。需實(shí)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(jié)構(gòu)文件順序連續(xù)存放于文件存儲(chǔ)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(zhǎng)記錄文件連續(xù)存放結(jié)構(gòu)變長(zhǎng)記錄文件連續(xù)存放結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)：1）順序訪問(wèn)容易；2）順序訪問(wèn)速度快。主要缺點(diǎn)：

1）必須已知文件的最大長(zhǎng)度；2）擴(kuò)展性差，不宜用來(lái)存放用戶文件、數(shù)據(jù)庫(kù)文件等經(jīng)常被修改的文件。

10鏈接結(jié)構(gòu)（串聯(lián)文件）文件不連續(xù)地存放于文件存儲(chǔ)器上，但使用指針按文件數(shù)據(jù)順序?qū)⑵滏溄悠饋?lái)。文件起始?jí)K結(jié)束塊Myfile1425Count2016Mail3027物理塊號(hào)邏輯塊號(hào)0123文件的鏈接結(jié)構(gòu)連接指針142020882525-1優(yōu)點(diǎn)：能夠利用每一個(gè)存儲(chǔ)塊，不會(huì)因?yàn)榇疟P碎片而浪費(fèi)存儲(chǔ)空間。缺點(diǎn)：①指針要占用字節(jié)，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和減少了存儲(chǔ)空間。②搜索效率低；③只適應(yīng)邏輯上連續(xù)文件，且順序存取。11索引塊文件Myfile3Count5Mail301482520物理塊號(hào)邏輯塊號(hào)01412028325圖9-13索引結(jié)構(gòu)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(guò)索引表中記錄的物理塊的塊號(hào)反映出來(lái)，因此把這個(gè)文件的物理結(jié)構(gòu)稱為索引結(jié)構(gòu)，或索引文件。索引表索引結(jié)構(gòu)文件不連續(xù)存放于文件存儲(chǔ)器上，使用一張索引表來(lái)定位文件中的數(shù)據(jù)。主要問(wèn)題：1）可能要花費(fèi)較多的外存空間。對(duì)于小文件采用索引文件時(shí)，其索引塊的利用率將是極低的。2）當(dāng)文件很大時(shí)，文件索引表比較大。若索引表的大小超過(guò)了一個(gè)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(dòng)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(shí)間開(kāi)銷。1211031105┇┇1100文件索引塊myfile3┇

┇300400500┇1100┇主索引100105┇第二級(jí)索引30001┇100┇105┇1103┇1105┇磁盤空間圖9-14多級(jí)索引結(jié)構(gòu)多級(jí)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(gè)物理塊可裝下n個(gè)物理塊地址，則經(jīng)過(guò)二級(jí)索引，可尋址的文件長(zhǎng)度將變?yōu)閚*n塊。若文件長(zhǎng)度大于n*n塊，則可用三級(jí)索引、四級(jí)索引等方式。13索引結(jié)構(gòu)不僅適應(yīng)于順序存取，也適應(yīng)于隨機(jī)存取。缺點(diǎn)是：⑴增加了存儲(chǔ)空間的開(kāi)銷。⑵在存取文件時(shí)需要至少訪問(wèn)存儲(chǔ)器二次以上。一次是訪問(wèn)索引表，另一次根據(jù)索引表提供的物理塊號(hào)訪問(wèn)文件信息。改進(jìn)的方法：當(dāng)對(duì)某個(gè)文件進(jìn)行操作之前，系統(tǒng)預(yù)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(guò)索引表確定物理地址塊號(hào)，而訪問(wèn)磁盤的動(dòng)作只需要一次。

147.1.4文件控制塊

OS觀點(diǎn)：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(biāo)識(shí)、定位、說(shuō)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(jié)構(gòu)，索引結(jié)構(gòu)物理位置：如索引表；創(chuàng)建、修改時(shí)間、保存時(shí)間；口令：用于對(duì)文件訪問(wèn)進(jìn)行驗(yàn)證；操作限制：如讀、寫(xiě)、執(zhí)行權(quán)限說(shuō)明；共享說(shuō)明（UNIX中是與操作限制一起說(shuō)明）。157.2文件目錄結(jié)構(gòu)

文件目錄：是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于表示系統(tǒng)中的文件及其物理地址，供檢索時(shí)使用。對(duì)目錄管理的要求：1）操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)文件信息的“按名存取”；2）能提高對(duì)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(lái)管理文件，每個(gè)文件有一個(gè)目錄項(xiàng)?？尚蜗蟮乩斫馕募夸洖椤拔募蜂洝薄怯涗浰形募拿旨八淼奈募娣诺刂返哪夸洷?。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(jí)目錄結(jié)構(gòu)一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)：為外存上的全部文件設(shè)立一張線性排列的目錄表，包含所有文件的FCB。每建立一個(gè)新文件即在目錄中增加一個(gè)FCB，每當(dāng)刪除一個(gè)文件即刪除對(duì)應(yīng)的FCB，當(dāng)要訪問(wèn)一個(gè)文件時(shí)，先按文件名在目錄中找到對(duì)應(yīng)的文件FCB。17一級(jí)目錄通常按卷（可理解為一盤磁帶，一個(gè)邏輯磁盤）構(gòu)造，即把一卷中的全部文件形成一級(jí)目錄表，保存在該卷的固定區(qū)域，使用時(shí)先將目錄表讀到內(nèi)存。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，能實(shí)現(xiàn)“按名存取”。缺點(diǎn)：1）當(dāng)系統(tǒng)中的文件數(shù)很多時(shí)，則查找時(shí)間長(zhǎng)；2）易發(fā)生重名問(wèn)題；3）不便于實(shí)現(xiàn)文件共享。187.2.2二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

基本思想：1）第一級(jí)為主文件目錄MFD(MasterFileDirectory)，主文件目錄以用戶名為索引，對(duì)每個(gè)用戶都設(shè)置一個(gè)指向用戶文件目錄的指針。2）第二級(jí)為用戶文件目錄UFD(UserFileDirectory)，用戶文件目錄為本用戶的每一個(gè)文件設(shè)置一個(gè)目錄項(xiàng)。19User1User2User3User4主文件目錄文件ATestDataATestDataAATest用戶文件目錄二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：按名查找文件的時(shí)間減少，一定程度上解決同名問(wèn)題。缺點(diǎn)：1）若一個(gè)用戶擁有的文件數(shù)越多，則在他的目錄中查找一個(gè)文件所花費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)。

2）用戶無(wú)法對(duì)自己的文件進(jìn)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(shù)形目錄結(jié)構(gòu)7.2.3樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)象一棵倒置的有根樹(shù)，故稱為樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)。樹(shù)型目錄結(jié)構(gòu)即是目錄的層次結(jié)構(gòu)。路徑名絕對(duì)路徑名當(dāng)前目錄相對(duì)路徑名21樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：1.解決了重名問(wèn)題；2.層次清楚；3.提高檢索文件的速度；4.能進(jìn)行存取權(quán)限的控制，在子目錄中可規(guī)定存取權(quán)限，則檢索文件時(shí)需核對(duì)存取權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的保護(hù)和保密。若文件在當(dāng)前目錄中，則存取文件時(shí)只要指出文件名就行，文件系統(tǒng)將在當(dāng)前目錄中尋找該文件。若文件不在當(dāng)前目錄中，但在當(dāng)前目錄的下級(jí)目錄中，則可用相對(duì)路徑名指定文件，文件系統(tǒng)就從當(dāng)前目錄開(kāi)始沿著指定的路徑查找該文件。例如：

絕對(duì)路徑名root/user1/A/B相對(duì)路徑名A/B22DictspellListallwcountcountwordslistListradew7root圖9-4無(wú)環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)7.2.4無(wú)環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)引入原因：樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)不便于實(shí)現(xiàn)文件共享。無(wú)環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)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(diǎn)：1）可能重復(fù)遍歷圖中的某些節(jié)點(diǎn)；

2）刪除共享節(jié)點(diǎn)時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生懸掛指針。3）共享時(shí)難以保證FCB的一致；237.3文件存儲(chǔ)器空間布局與管理1.文件存儲(chǔ)器空間的劃分與初始化

文件存儲(chǔ)于文件卷中，文件卷可以是一個(gè)物理盤，也可以是一個(gè)物理盤的一部分，一個(gè)支持超大型文件的文件卷也可以由多個(gè)物理盤組成。參見(jiàn)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(chǔ)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(hào)，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(gè)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(chǔ)器中，一般存放在卷頭，UNIX中稱為“超級(jí)塊”267.4文件訪問(wèn)系統(tǒng)調(diào)用操作系統(tǒng)提供文件創(chuàng)建、刪除、打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)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(xiàng)組成，目錄項(xiàng)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(shè)備名（卷名）；文件說(shuō)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(shí)現(xiàn)

28CREATE系統(tǒng)調(diào)用大致處理過(guò)程：檢查參數(shù)合法性；在文件目錄結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)位置建立一個(gè)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(guò)程：檢查參數(shù)，得到文件名（路徑名）；按名查找文件目錄結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)中刪除FCB。29文件的打開(kāi)與關(guān)閉

OPEN系統(tǒng)調(diào)用處理過(guò)程：檢查參數(shù)，獲得文件名（路徑名）；按名查找文件目錄結(jié)構(gòu)，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(kāi)的文件讀寫(xiě)狀態(tài)信息表，將當(dāng)前訪問(wèn)指針指向文件首部；將文件讀寫(xiě)狀態(tài)信息表的地址存于進(jìn)程PCB中的資源描述區(qū)的“打開(kāi)文件表”中，返回其索引號(hào)fd作為本次調(diào)用的返回值。30PCB活躍文件目錄表讀寫(xiě)狀態(tài)信息表打開(kāi)文件表打開(kāi)文件表、文件讀寫(xiě)狀態(tài)信息表、活躍文件目錄表的關(guān)系如圖所示。內(nèi)存fd31CLOSE系統(tǒng)調(diào)用管理過(guò)程：檢查參數(shù)，獲得fd；按fd在PCB中的“打開(kāi)文件表”中得到文件讀寫(xiě)狀態(tài)信息表的指針，釋放文件讀寫(xiě)狀態(tài)信息表，如果活動(dòng)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(xiě)讀寫(xiě)參數(shù)包括：fd；起始邏輯地址（默認(rèn)時(shí)即當(dāng)前訪問(wèn)地址，一般存于讀寫(xiě)狀態(tài)信息表）；長(zhǎng)度；讀寫(xiě)信息用戶區(qū)地址。33文件的讀寫(xiě)Read/Write系統(tǒng)調(diào)用大致處理過(guò)程如下：核實(shí)參數(shù)，按fd獲得文件讀寫(xiě)狀態(tài)信息表，獲得活躍文件目錄表中的FCB。核實(shí)操作許可。按FCB中定位信息將要讀寫(xiě)的邏輯地址轉(zhuǎn)化成物理地址。（如寫(xiě)，則將數(shù)據(jù)從用戶區(qū)復(fù)制到系統(tǒng)區(qū)）將物理地址、內(nèi)存地址、長(zhǎng)度等參數(shù)填好，調(diào)用外存驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行I/O操作（如讀，則將系統(tǒng)區(qū)數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶區(qū)）。347.5文件保護(hù)

文件可能發(fā)生兩種破壞情形可靠性問(wèn)題：系統(tǒng)死機(jī)等導(dǎo)致文件卷數(shù)據(jù)破壞，可以通過(guò)備份文件避免損失。文件保護(hù)問(wèn)題：不正確的訪問(wèn)方式或非受權(quán)訪問(wèn)，可通過(guò)訪問(wèn)控制解決。357.5.1文件訪問(wèn)保護(hù)

口令創(chuàng)建文件時(shí)提供一個(gè)口令，存于FCB中，要對(duì)文件訪問(wèn)時(shí)，系統(tǒng)核對(duì)該口令。優(yōu)點(diǎn)：容易理解，容易實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：1）由于口令簡(jiǎn)單，經(jīng)常被內(nèi)行人破譯。2）口令也容易遺忘、記錯(cuò)。

加密保護(hù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件時(shí)，對(duì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)加密，讀出時(shí)進(jìn)行解密。訪問(wèn)者必須提供密鑰（特例：UNIX中password中的口令加密后寫(xiě)入，無(wú)需解密讀出）。36

訪問(wèn)控制檢查用戶對(duì)文件的訪問(wèn)權(quán)限與本次訪問(wèn)是否一致。訪問(wèn)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(duì)j文件訪問(wèn)權(quán)限。

用戶權(quán)限文件名ChenWangZhangLiA.cRERRWEB.cRWEREWC.cWWWED.cRWRRWEE.cRERRWR訪問(wèn)控制矩陣

37用戶類

訪問(wèn)權(quán)限

owerRWE同組

RE其他

E

簡(jiǎn)化訪問(wèn)表：在文件中針對(duì)文件主、同組用戶和其他用戶給出訪問(wèn)權(quán)限。38計(jì)算機(jī)7.5.2文件備份批量備份全量轉(zhuǎn)儲(chǔ)：把全部文件定期復(fù)制到后備存儲(chǔ)器上。增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)：把上次轉(zhuǎn)儲(chǔ)以來(lái)改過(guò)的文件和新文件轉(zhuǎn)儲(chǔ)

同步備份鏡像盤支持。在對(duì)磁盤寫(xiě)操作的同時(shí)，對(duì)稱地寫(xiě)其鏡像盤；雙機(jī)動(dòng)態(tài)文件備份：指用兩臺(tái)機(jī)器在文件寫(xiě)操作時(shí)完全對(duì)稱地工作，保證當(dāng)一臺(tái)機(jī)器出錯(cuò)時(shí)，另一臺(tái)機(jī)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(fù)責(zé)文件的建立、刪除、讀/寫(xiě)、修改等，以及對(duì)文件目錄結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)介質(zhì)實(shí)施管理。一般地，OS的文件系統(tǒng)只提供讀/寫(xiě)文件信息的支持而不解釋其信息內(nèi)涵，內(nèi)涵由各讀/寫(xiě)文件的應(yīng)用程序去解釋。文件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)方便靈活：用戶不用考慮文件在物理存儲(chǔ)器上的存放。安全可靠：可進(jìn)行訪問(wèn)限制，可進(jìn)行文件數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)。方便共享使用，可按名訪問(wèn)。40文件系統(tǒng)的