第6章文件管理

第六章文件管理

6.1文件和文件系統(tǒng)6.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)6.3外存分配方式6.4目錄管理6.5文件存儲(chǔ)空間的管理6.6文件共享與文件保護(hù)1文件系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)為什么需要文件？數(shù)量原因——內(nèi)存無(wú)法保存大量信息時(shí)間原因——內(nèi)存無(wú)法永久保存信息應(yīng)用原因——內(nèi)存無(wú)法方便實(shí)現(xiàn)共享文件系統(tǒng)的作用為應(yīng)用程序提供邏輯抽象（虛擬機(jī)）為磁盤(pán)空間提供管理機(jī)制（資源管理器）文件系統(tǒng)概述2文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)服務(wù)器文件結(jié)構(gòu)定義文件訪問(wèn)控制安全、保護(hù)磁盤(pán)空間分配磁盤(pán)數(shù)據(jù)存取磁盤(pán)設(shè)備防護(hù)數(shù)據(jù)文件磁盤(pán)空間映射應(yīng)用層觀點(diǎn)：邏輯抽象物理層觀點(diǎn)：空間管理3文件系統(tǒng)的功能目標(biāo)文件系統(tǒng)功能目標(biāo)概述用戶觀點(diǎn)：虛擬機(jī)的作用，如何用統(tǒng)一的形式展現(xiàn)各類文件？如何提供方便的文件操作接口？系統(tǒng)觀點(diǎn)：如何與其他系統(tǒng)模塊進(jìn)行交互？如何實(shí)現(xiàn)并維護(hù)文件的邏輯體系和物理結(jié)構(gòu)？如何設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各種文件的操作接口？文件系統(tǒng)的功能目標(biāo)統(tǒng)一管理文件的存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的分配與回收提供方便的文件訪問(wèn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的按名存取向用戶提供完整而方便的文件操作接口（如開(kāi)/關(guān)、讀/寫(xiě)、關(guān)閉等）提供對(duì)文件的安全保護(hù)和信息共享機(jī)制向下提供和I/O設(shè)備相一致的接口，向上提供用戶需要的相關(guān)信息實(shí)現(xiàn)“合理”、“有效”的性能目標(biāo)：文件系統(tǒng)的執(zhí)行性能文件系統(tǒng)概述46.1文件和文件系統(tǒng)5文件的定義文件是具有文件名的一組相關(guān)信息的集合。文件名：通常由一串ASCII碼或漢字構(gòu)成文件的基本內(nèi)容：可以由單個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)構(gòu)成文件的邏輯含義：由文件的創(chuàng)建者和使用者進(jìn)行定義和維護(hù)文件必須便于存儲(chǔ)、檢索、共享廣義的“文件”概念：所有可存儲(chǔ)、提供信息資源的設(shè)備均可稱為文件6文件的屬性文件類型文件長(zhǎng)度文件的物理位置文件的建立時(shí)間文件類型按照文件性質(zhì)和用途劃分：系統(tǒng)文件、用戶文件、庫(kù)文件按照文件中數(shù)據(jù)形式劃分：源文件、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件按照信息保存的期限劃分：臨時(shí)文件、永久文件、檔案文件按照文件的存取控制劃分：只讀文件、讀寫(xiě)文件、只執(zhí)行文件和不保護(hù)文件按照文件的邏輯結(jié)構(gòu)劃分：流式文件、記錄式文件、結(jié)構(gòu)化文件按照文件的物理結(jié)構(gòu)劃分：順序文件、鏈接文件、索引文件Unix中的文件分類：普通文件、目錄文件、特殊文件（設(shè)備文件）文件系統(tǒng)概述72.文件系統(tǒng)模型文件系統(tǒng)模型文件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)中與文件管理有關(guān)的那部分軟件以及被它們管理的文件和文件屬性的集合8文件的使用創(chuàng)建文件：分配外存空間，建立相應(yīng)目錄項(xiàng)刪除文件：刪除目錄項(xiàng)，回收存儲(chǔ)空間讀文件：查找目錄項(xiàng)，將數(shù)據(jù)從外存讀入內(nèi)存寫(xiě)文件：查找目錄項(xiàng)，外存將數(shù)據(jù)寫(xiě)入截?cái)辔募悍艞壴械奈募?nèi)容設(shè)置文件的讀/寫(xiě)指針：實(shí)現(xiàn)對(duì)文件內(nèi)容的隨機(jī)訪問(wèn)打開(kāi)文件：將指定文件屬性信息復(fù)制到外存，并返回相應(yīng)指針關(guān)閉文件：從內(nèi)存中刪除指定文件屬性信息96.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)從用戶角度來(lái)看文件，研究文件的組織形式有結(jié)構(gòu)文件（記錄式文件）無(wú)結(jié)構(gòu)文件101.有結(jié)構(gòu)文件數(shù)據(jù)的組織分三級(jí)：數(shù)據(jù)項(xiàng)：用來(lái)描述一個(gè)個(gè)體的某種屬性記錄：由多個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)集合形成，用來(lái)描述一個(gè)個(gè)體某方面相對(duì)完整的屬性文件：多個(gè)記錄的有序集合，用來(lái)描述一個(gè)群體某方面相對(duì)完整的屬性記錄式文件分類：按照記錄的長(zhǎng)度：定長(zhǎng)和變長(zhǎng)記錄文件按照邏輯組織：順序文件、索引文件和索引順序文件11順序文件一系列記錄按某種順序排列所形成的文件。串結(jié)構(gòu)文件：按存入的先后次序進(jìn)行排列順序結(jié)構(gòu)文件：按關(guān)鍵字的次序進(jìn)行排列優(yōu)點(diǎn)：批量存取效率高缺點(diǎn)：交互應(yīng)用性能差12索引文件

為了提高變長(zhǎng)記錄文件的存取速度，為每一文件建立一張索引表，將文件中的記錄號(hào)、長(zhǎng)度和指向該記錄的指針記入索引表中的文件組織形式。13索引順序文件記錄按順序方式組織，每個(gè)文件也建立一張索引表，但只需為主文件的每一組記錄的第一個(gè)記錄設(shè)置一個(gè)索引表項(xiàng)。142.無(wú)結(jié)構(gòu)文件（流式文件）由字符流構(gòu)成的文件。其長(zhǎng)度以字節(jié)為單位。對(duì)流式文件的訪問(wèn)，則是采用讀寫(xiě)指針來(lái)指出下一個(gè)要訪問(wèn)的字符。文件：01……i……n-1讀寫(xiě)指針156.3外存分配方式文件的物理結(jié)構(gòu)：是從系統(tǒng)的角度來(lái)看文件，從文件在物理介質(zhì)上的存放方式來(lái)研究文件外存的分配：以塊為單位外存分配目標(biāo)：有效利用外存空間、提高對(duì)文件的訪問(wèn)速度。外存分配方式：連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配、混合索引分配16連續(xù)分配方式文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理17012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址塊數(shù)count02tr143mail196list284f62文件目錄countftrmaillist18連續(xù)分配的優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)分析簡(jiǎn)單易用：技術(shù)機(jī)制非常簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)讀取速度快：連續(xù)空間分配使得文件讀取時(shí)磁盤(pán)工作量大大降低缺點(diǎn)分析文件不能動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)：類似于“多道固定分區(qū)”存儲(chǔ)機(jī)制如果分配硬盤(pán)空間時(shí)預(yù)留擴(kuò)充空間則會(huì)造成浪費(fèi)如果不預(yù)留擴(kuò)充空間又使得文件擴(kuò)容時(shí)必須重新分配空間不利于文件的插入和刪除：技術(shù)機(jī)制簡(jiǎn)單但是效率低下易造成磁盤(pán)空間的“外零頭”需要特定的程序負(fù)責(zé)“緊縮”磁盤(pán)空間何時(shí)使用連續(xù)空間分配？簡(jiǎn)單應(yīng)用環(huán)境，已知文件數(shù)量和大小文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理19鏈接分配文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理20文件名始址末址jeep925文件目錄01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-12521鏈接分配的優(yōu)缺點(diǎn)分析優(yōu)點(diǎn)分析磁盤(pán)空間利用效率很高,不存在外部碎片問(wèn)題有利于文件插入和刪除有利于文件動(dòng)態(tài)擴(kuò)充缺點(diǎn)分析不利于文件的“隨機(jī)訪問(wèn)”，依然需要進(jìn)行“順序存取”使用指針的方式會(huì)造成很高的可靠性和安全性風(fēng)險(xiǎn)指針占用磁盤(pán)空間，造成文件存取不便上層應(yīng)用以“塊”為單位讀取內(nèi)容，指針占用空間后導(dǎo)致一個(gè)邏輯塊的內(nèi)容無(wú)法被保存在一個(gè)磁盤(pán)塊中鏈接表方式的改進(jìn)內(nèi)存保存鏈接表方式（FAT）缺點(diǎn)在于使用內(nèi)存保存FAT時(shí)，會(huì)占用大量?jī)?nèi)存空間文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理22顯式鏈接分配方式23一個(gè)文件的信息存放在若干不連續(xù)物理塊中，系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--索引表，并將這些塊的塊號(hào)存放在索引表中一個(gè)索引表就是磁盤(pán)塊地址數(shù)組,其中第i個(gè)條目指向文件的第i塊索引分配24012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep19

91611025-1-1-11925優(yōu)點(diǎn)：保持了鏈接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又解決了其缺點(diǎn)：即能順序存取，又能隨機(jī)存取滿足了文件動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)、插入刪除的要求能充分利用外存空間26缺點(diǎn)：較多的尋道次數(shù)和尋道時(shí)間索引表本身帶來(lái)了系統(tǒng)開(kāi)銷如：內(nèi)外存空間，存取時(shí)間27012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep19

91611025-1-1-11928索引表組織:

鏈接模式:一個(gè)盤(pán)塊一個(gè)索引表,多個(gè)索引表鏈接起來(lái)多級(jí)索引: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)中綜合模式:I-Node方法，既適應(yīng)小文件，也滿足大文件需求29文件物理空間分配方式的總結(jié)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理連續(xù)分配鏈表方式索引方式存儲(chǔ)介質(zhì)磁帶支持不支持不支持磁盤(pán)支持支持支持存取方式順序＋隨機(jī)存取順序順序＋隨機(jī)存取空間利用效率較低，會(huì)產(chǎn)生外零頭指針占用磁盤(pán)空間引起管理問(wèn)題利用磁盤(pán)和內(nèi)存，但效率很高應(yīng)用環(huán)境分析最簡(jiǎn)單、最原始中間過(guò)渡階段廣泛應(yīng)用30

UNIX文件系統(tǒng)將多種索引分配方式結(jié)合在一起，稱作混合分配方式。每個(gè)文件的索引表為13個(gè)索引項(xiàng)，每項(xiàng)2個(gè)字節(jié)。最前面10項(xiàng)直接登記存放文件信息的物理塊號(hào)（直接尋址）混合索引分配31

如果文件大于10塊，則利用第11項(xiàng)指向一個(gè)物理塊，該塊中最多可放256個(gè)文件物理塊的塊號(hào)（一次間接尋址）。對(duì)于更大的文件還可利用第12和第13項(xiàng)作為二次和三次間接尋址

UNIX中采用了三級(jí)索引結(jié)構(gòu)后，文件最大可達(dá)16兆個(gè)物理塊32圖6-13混合索引方式331.基本概念文件控制塊（FCB）：文件控制塊是操作系統(tǒng)為管理文件而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了為管理文件所需的所有有關(guān)信息（文件屬性）文件控制塊是文件存在的標(biāo)志,與文件一一對(duì)應(yīng)6.4目錄管理34

文件控制塊的內(nèi)容：文件名，文件號(hào)，用戶名，文件地址，文件長(zhǎng)度，文件類型，文件屬性，共享計(jì)數(shù)，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后訪問(wèn)日期，口令，文件邏輯結(jié)構(gòu)，文件物理結(jié)構(gòu)35文件目錄：把所有的FCB組織在一起，就構(gòu)成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合目錄項(xiàng)：構(gòu)成文件目錄的項(xiàng)目（目錄項(xiàng)就是FCB）目錄文件：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)文件目錄的管理，通常將文件目錄以文件的形式保存在外存，這個(gè)文件就叫目錄文件362.索引結(jié)點(diǎn)1)索引結(jié)點(diǎn)的引入圖6-15UNIX的文件目錄文件名索引結(jié)點(diǎn)編號(hào)文件名1文件名2……372、目錄的結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理381）一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)為所有文件建立一個(gè)目錄文件（組成一線性表）優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：限制了用戶對(duì)文件的命名文件平均檢索時(shí)間長(zhǎng)限制了對(duì)文件的共享392、目錄的結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理402）二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)為改變一級(jí)目錄文件目錄命名沖突，并提高對(duì)目錄文件檢索速度而改進(jìn)

目錄分為兩級(jí)：一級(jí)稱為主文件目錄，給出用戶名，用戶子目錄所在的物理位置；二級(jí)稱為用戶文件目錄（又稱用戶子目錄），給出該用戶所有文件的FCB412.兩級(jí)目錄優(yōu)點(diǎn)：解決了文件的重名問(wèn)題和文件共享問(wèn)題用戶名|文件名查找時(shí)間降低缺點(diǎn)：增加了系統(tǒng)開(kāi)銷422、目錄的結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理433.多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)(1)目錄結(jié)構(gòu)圖6-18多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)3）多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)（樹(shù)型目錄）44優(yōu)點(diǎn)：層次結(jié)構(gòu)清晰，便于管理和保護(hù)；有利于文件分類；解決重名問(wèn)題；提高文件檢索速度；能進(jìn)行存取權(quán)限的控制缺點(diǎn)：查找一個(gè)文件按路徑名逐層檢查，由于每個(gè)文件都放在外存，多次訪盤(pán)影響速度45目錄的其他實(shí)現(xiàn)方法哈希表算法：目錄項(xiàng)信息存在一哈希表中搜索時(shí)根據(jù)文件名計(jì)算哈希值得到一個(gè)指向表中文件的指針其他算法：如B+樹(shù)NTFS文件系統(tǒng)就采用了B+樹(shù)46文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)布局如何劃分磁盤(pán)空間——磁盤(pán)分區(qū)文件系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)文件的實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)空間分配方案：連續(xù)、鏈接、索引目錄的實(shí)現(xiàn)如何有效的保存文件名、文件屬性和物理地址文件共享的實(shí)現(xiàn)磁盤(pán)空間管理以塊為單位使用磁盤(pán)空間——對(duì)比存儲(chǔ)管理中的“分頁(yè)式”空閑塊記錄與磁盤(pán)配額限制文件系統(tǒng)的可靠性與性能保證文件備份與文件系統(tǒng)一致性高速緩存、塊提前讀、減少磁盤(pán)臂運(yùn)動(dòng)文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理47文件系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)48文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：創(chuàng)建一個(gè)文件的過(guò)程(1)存儲(chǔ)屬性(2)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)(3)記錄分配情況(4)添加文件名到目錄491.空閑表法

將所有空閑塊記錄在一個(gè)表中，即空閑表，其中每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)空閑區(qū)，并登記有該空閑區(qū)的起始?jí)K號(hào)和塊數(shù)等信息。2.空閑鏈表法把所有空閑區(qū)鏈成一個(gè)鏈空閑盤(pán)塊鏈只適合離散分配空閑盤(pán)區(qū)鏈任何分配方式6.5文件存儲(chǔ)空間的管理50圖6-21位示圖

3.位示圖法514.成組鏈接法

1.空閑盤(pán)塊的組織