計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)教程 課件第7章-文件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)ComputerOperatingSystems第七章

文件管理硬盤屬于外部設(shè)備文件是信息在外存上的組織形式文件管理是指外存數(shù)據(jù)的管理文件系統(tǒng)文件的邏輯結(jié)構(gòu)文件的物理結(jié)構(gòu)第七章文件管理第七章文件管理132文件與文件系統(tǒng)文件的物理結(jié)構(gòu)磁盤存儲空間管理4文件目錄文件的邏輯結(jié)構(gòu)為解決這些問題，人們提出“文件”的概念，把信息組織成文件的形式，用文件作為信息的存儲和訪問單位。在一個(gè)操作系統(tǒng)當(dāng)中，負(fù)責(zé)處理文件相關(guān)事宜的部分，就稱為是文件系統(tǒng)。7.1文件與文件系統(tǒng)第5頁

文件(file)sort.c定義：是記錄在外存上的，具有符號名的，在邏輯上具有完整意義的一組相關(guān)信息項(xiàng)的集合。信息項(xiàng)：是構(gòu)成文件內(nèi)容的基本單位，可以是一個(gè)字符，也可以是一個(gè)記錄。

磁帶磁盤光盤優(yōu)盤從用戶的角度看，文件是邏輯外存的最小分配單元，即信息(數(shù)據(jù))只能以文件的形式寫入外存。

操作系統(tǒng)將所要處理的信息組織成文件來進(jìn)行管理。

每個(gè)文件都有一個(gè)文件名，用戶通過文件名來存取文件

文件就是存儲在磁盤上的一組相關(guān)信息的集合，具有唯一的標(biāo)識。文件和文件名7.1文件與文件系統(tǒng)文件的命名當(dāng)一個(gè)文件被創(chuàng)建時(shí)，必須給它指定一個(gè)名字，用戶通過文件名來訪問文件。命名規(guī)則：文件名是一個(gè)有限長度的字符串，可以由字母、數(shù)字和特殊字符組成。一個(gè)文件名一般由兩部分組成，中間用句點(diǎn)隔開。

文件名.擴(kuò)展名文件的分類普通文件（regularfile）：包含用戶信息的文件；ASCII文件：由一行行的文本組成；二進(jìn)制文件：非ASCII文件，通常具有某種內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，為相關(guān)的應(yīng)用程序所了解。目錄文件（directory）：管理文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)文件。按用途分類系統(tǒng)文件

操作系統(tǒng)本身有關(guān)的一些信息（程序或數(shù)據(jù)）所組成

的文件。庫文件

系統(tǒng)提供給用戶調(diào)用的各種標(biāo)準(zhǔn)過程、函數(shù)和應(yīng)用程

序等。用戶文件

用戶的信息（程序或數(shù)據(jù)）所組成的文件。文件類型按文件中的數(shù)據(jù)形式分類源文件 從終端或輸入設(shè)備的源程序和數(shù)據(jù)，以及作為處理結(jié)

果的輸出數(shù)據(jù)的文件。目標(biāo)文件

由各種語言編譯程序所輸出的相對地址形式的程序文

件?？蓤?zhí)行文件

連接裝配程序連接后生成的可執(zhí)行的目標(biāo)程序文件。文件類型按存取控制分類可執(zhí)行文件：可以執(zhí)行但不能讀寫或修改的文件。只讀文件：用戶可以讀或執(zhí)行但不能修改的文件。讀寫文件：用戶可以讀、寫、執(zhí)行的文件。不保護(hù)文件：可以被系統(tǒng)中任一用戶使用的文件。按文件的邏輯結(jié)構(gòu)分類有結(jié)構(gòu)文件無結(jié)構(gòu)文件文件類型文件控制塊文件控制塊（FileControlBlock，F(xiàn)CB）：是操作系統(tǒng)為了管理文件而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了文件的所有管理信息。是文件存在的標(biāo)志；文件控制塊的內(nèi)容一般包括：文件的類型、長度；文件的所有者、文件的訪問權(quán)限；文件的創(chuàng)建時(shí)間、最后訪問時(shí)間、最后修改時(shí)間；文件所在的物理塊信息；在Linux中，稱為I結(jié)點(diǎn)（inode，索引結(jié)點(diǎn)）。文件的屬性每個(gè)文件都有一個(gè)名字和它所保存的信息，此外，OS還給每個(gè)文件附加了一些其他的信息，這些信息稱為文件的屬性。常見的一些文件屬性：保護(hù)信息：誰可以對該文件進(jìn)行何種操作；創(chuàng)建者：該文件是誰創(chuàng)建的；只讀標(biāo)志位：0表示可讀/寫，1表示只讀；隱藏標(biāo)志位：0表示普通文件，1表示隱藏文件；系統(tǒng)標(biāo)志位：0表示普通文件，1表示系統(tǒng)文件；創(chuàng)建時(shí)間、最后訪問時(shí)間、最后修改時(shí)間；文件長度。文件的屬性信息存放在哪兒？32如何保存在文件中？文件系統(tǒng)模型文件系統(tǒng)接口文件管理系統(tǒng)軟件及管理文件所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被文件系統(tǒng)管理的文件用戶（程序）↓↓↓↓圖7-1文件系統(tǒng)模型可以從兩種不同的觀點(diǎn)來看待文件系統(tǒng)：用戶觀點(diǎn)：關(guān)心的是文件系統(tǒng)所提供的對外的用戶接口，包括文件如何命名、如何保護(hù)、如何訪問（創(chuàng)建、打開、關(guān)閉、讀、寫等）；操作系統(tǒng)觀點(diǎn)：關(guān)心的是如何來實(shí)現(xiàn)與文件有關(guān)的各個(gè)功能模塊，包括如何來管理存儲空間、文件系統(tǒng)的布局、文件的存儲位置等。7.1文件與文件系統(tǒng)文件的控制文件控制指圍繞文件屬性的控制所進(jìn)行的文件操作。創(chuàng)建create：創(chuàng)建一個(gè)空白的文件；刪除delete：刪除一個(gè)文件，釋放磁盤空間；獲取文件屬性getattributes：讀取文件的屬性信息;設(shè)置文件屬性setattributes：設(shè)置文件的屬性信息；修改文件名rename：改變文件的文件名。文件的訪問文件訪問指圍繞文件內(nèi)容的讀寫所進(jìn)行的文件操作。打開open：在訪問一個(gè)文件前，必須先打開它；關(guān)閉close：在使用完一個(gè)文件后，要關(guān)閉該文件；讀read：從文件中讀取數(shù)據(jù)；寫write：把數(shù)據(jù)寫入文件；添加append：添加數(shù)據(jù)到文件的末尾；定位seek：指定文件訪問的當(dāng)前位置。文件太多了怎么辦？不同的應(yīng)用程序有不同類型的文件，不同的用戶有不同的文件，如何對它們進(jìn)行組織、分類？如何對文件進(jìn)行管理？當(dāng)用戶需要訪問某個(gè)文件時(shí)，如何根據(jù)這個(gè)文件名迅速地定位到相應(yīng)的文件，從而對文件的屬性和內(nèi)容進(jìn)行各種操作？解決的辦法就是：目錄。目錄目錄（directory）也稱文件夾（folder），它是一張表格，記錄了在該目錄下的每一個(gè)文件的文件名和其他的一些管理信息。一般情況下，每個(gè)文件占用該表格的某一行，即一個(gè)目錄項(xiàng)（該表格如何存放？）；這張表格本身是以文件的形式存放在磁盤上；在目錄的管理上，也有相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用，如：創(chuàng)建目錄create；刪除目錄delete；修改目錄名rename；多級目錄結(jié)構(gòu)根目錄spell目錄bin目錄programs目錄stat文件dist文件mail目錄find文件…p目錄e目錄prog目錄copy目錄prt目錄根目錄如何存放？路徑名

從根目錄到數(shù)據(jù)文件之間，只有一條唯一的通路。

主目錄/目錄文件名/數(shù)據(jù)文件名當(dāng)前目錄

每訪問一個(gè)文件都要使用從根目錄開始搜索直到樹葉的數(shù)據(jù)文件為止，包含各中間子目錄的全路徑名是相當(dāng)麻煩的，同時(shí)由于一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行時(shí)訪問的文件大多局限在某個(gè)范圍，基于這一點(diǎn)，可為每個(gè)用戶（或每個(gè)進(jìn)程）設(shè)置一個(gè)“當(dāng)前目錄”，又稱“工作目錄”。進(jìn)程對各文件的訪問都相對于“工作目錄”而設(shè)置路徑，這稱為相對路徑，用相對路徑可縮短搜索路徑，提高搜索速度。7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)文件的邏輯結(jié)構(gòu)，即文件系統(tǒng)提供給用戶的文件結(jié)構(gòu)形式，它獨(dú)立于在外存上的物理存儲結(jié)構(gòu)。無結(jié)構(gòu)：整個(gè)文件由一序列無結(jié)構(gòu)的字節(jié)流組成；第25頁

分類：有結(jié)構(gòu)的記錄式文件：由一個(gè)以上的記錄構(gòu)成。

記錄：能被某些應(yīng)用程序處理的相關(guān)字段的集合。由相同或者不同的數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。

定長記錄

變長記錄7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)記錄式文件順序文件7.2.1

有結(jié)構(gòu)文件的組織索引文件7.2.1

有結(jié)構(gòu)文件的組織索引順序文件7.2.1

有結(jié)構(gòu)文件的組織哈希文件7.2.1

有結(jié)構(gòu)文件的組織第31頁

無結(jié)構(gòu)的流式文件：由一串字符流構(gòu)成。

在UNIX系統(tǒng)中，所有的文件都被看作是流式文件.即使是有結(jié)構(gòu)的文件，也被視為流式文件，系統(tǒng)不對文件進(jìn)行格式處理。字符流7.2.2

流文件的組織文件系統(tǒng)字節(jié)流用戶眼中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用戶程序

文件的訪問方式隨機(jī)存?。焊鶕?jù)所需訪問的字節(jié)或記錄在文件中的位置，將文件的讀寫指針直接移至該位置，然后進(jìn)行存取。每一次存取操作都要指定該操作的起始位置?，F(xiàn)代OS都提供隨機(jī)存取的方式。已訪問部分

即將訪問部分文件起始位置文件當(dāng)前位置文件結(jié)束位置

塊（block）文件的邏輯結(jié)構(gòu)一般是字節(jié)流；對于用戶而言，可以在這種字節(jié)流的基礎(chǔ)上，構(gòu)造自己所需的各種類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如：記錄結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、線性結(jié)構(gòu)等；對于文件系統(tǒng)而言，必須將這種字節(jié)流（一個(gè)連續(xù)的邏輯地址空間）保存在磁盤的某些扇區(qū)中；通常做法：把磁盤空間劃分為一個(gè)個(gè)大小相同的塊（block），稱為物理塊；把該邏輯地址空間也分成大小相同的邏輯塊，在文件系統(tǒng)的內(nèi)部，以塊為單位來進(jìn)行操作；一個(gè)物理塊由一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的扇區(qū)組成。小實(shí)驗(yàn)文件系統(tǒng)字節(jié)流用戶眼中用戶程序邏輯塊物理塊硬盤一個(gè)磁盤在低級格式化以后，可以用分區(qū)軟件劃分為若干個(gè)分區(qū)。在分區(qū)以后，磁盤的扇區(qū)0稱為主引導(dǎo)記錄（MasterBootRecord,MBR），用來啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，MBR的結(jié)尾是一個(gè)分區(qū)表，記錄了每個(gè)分區(qū)的起始扇區(qū)和大小，其中有一個(gè)分區(qū)為活動(dòng)分區(qū)；在不同的分區(qū)中，可以使用不同的文件系統(tǒng)，每一種文件系統(tǒng)在分區(qū)中的布局可能各不相同。7.2.3

文件系統(tǒng)的布局一種可能的文件系統(tǒng)布局引導(dǎo)塊(分區(qū)

引導(dǎo)扇區(qū))，

可以為空。分區(qū)控制塊

塊的個(gè)數(shù)、

大小等參數(shù)空閑物

理塊的

管理。在文件系統(tǒng)的內(nèi)部，是如何來實(shí)現(xiàn)open、close、read、write等各種系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)的？7.4.4

文件內(nèi)容的訪問1.打開文件在讀寫一個(gè)文件之前，先要打開該文件intopen(char*filename,intflags)//返回fd位向量:Accessmodes(Rd,Wr,…)OpenFlags(Create,…)Operatingmodes(Appends,…)打開文件的作用利用目錄結(jié)構(gòu)進(jìn)行文件名解析，將文件名（路徑名）翻譯為一個(gè)整數(shù)fd在進(jìn)程PCB中的“打開文件表”中增加一項(xiàng)，返回其下標(biāo)fd在硬盤找到該文件的FCB并讀入內(nèi)存，通過fd可訪問該FCB，進(jìn)而定位各物理塊其它工作，如檢查文件訪問的合法性2.目錄檢索文件路徑名目標(biāo)目錄項(xiàng)根目錄Ann目錄mail目錄給定路徑名，找到FCB解析路徑名"/Ann/mail/B"需訪問幾次硬盤?讀入根結(jié)點(diǎn)的FCB（位于硬盤固定區(qū)域）讀入根目錄的第1個(gè)數(shù)據(jù)塊該數(shù)據(jù)塊即為根目錄的開始部分的內(nèi)容，在其中搜索Ann子目錄讀入"Ann"目錄文件的FCB讀入"Ann"目錄文件的第1個(gè)數(shù)據(jù)塊，并在其中搜索"mail"子目錄讀入"mail"目錄文件的FCB讀入"mail"目錄文件的第1個(gè)數(shù)據(jù)塊，并在其中搜索"B"讀入"B"目錄文件的FCB3.讀取文件在打開一個(gè)文件后，即可對該文件進(jìn)行讀寫，典型的讀寫操作是：讀寫該文件從某個(gè)位置開始的若干個(gè)字節(jié)。例如：讀取文件的第100～109個(gè)字節(jié)lseek(fd,100,SEEK_SET);read（fd，buffer，10）012……字節(jié)流物理塊….FCB地址映射0…100109…邏輯塊fd類似何種存儲管理方式？跨多個(gè)塊？文件末尾？連續(xù)分配（ContinuousAllocation）要求為每一個(gè)文件分配一組相鄰的盤塊。7.3文件的物理結(jié)構(gòu)（本圖摘自Silberschatz,GalvinandGagne：“OperatingSystemConcepts”）7.3.1連續(xù)文件7.3文件的物理結(jié)構(gòu)

在每個(gè)盤塊上設(shè)一鏈接指針，將同屬于一個(gè)文件的多個(gè)離散盤塊鏈接成一個(gè)鏈表，由此所形成的物理文件鏈接文件。消除了外碎片，可以動(dòng)態(tài)增、刪、改。隱式鏈接在文件目錄的每個(gè)目錄項(xiàng)FCB中含有指向鏈接文件第一和最后一個(gè)盤塊的指針 只適用于順序訪問，對隨機(jī)訪問效率極低，可靠性差。7.3文件的物理結(jié)構(gòu)7.3.2鏈?zhǔn)轿募ū緢D摘自Silberschatz,GalvinandGagne：“OperatingSystemConcepts”）指針數(shù)據(jù)如何訪問第n個(gè)邏輯塊？7.3文件的物理結(jié)構(gòu)鏈表結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：只能進(jìn)行順序訪問，不能進(jìn)行隨機(jī)訪問。為了訪問一個(gè)文件的第n個(gè)邏輯塊，必須從文件的第一個(gè)物理塊開始，按照指針?biāo)赶虻牡刂罚樞虻卦L問前n個(gè)塊，即為了得到第n個(gè)邏輯塊的物理塊地址，必須先訪問n-1次的硬盤，速度非常慢；每個(gè)物理塊上的數(shù)據(jù)存儲空間不再是2的整數(shù)次冪（指針占用了若干個(gè)字節(jié)），從而使文件的訪問不太方便。7.3文件的物理結(jié)構(gòu)顯式鏈接

把用于鏈接文件各物理塊的指針，顯式的存放在內(nèi)存的一張鏈接表中，即文件分配表FAT（FileAllocationTable）。不能支持高效的直接存取FAT占用較大的內(nèi)存空間帶有文件分配表的鏈表結(jié)構(gòu)基本思路：在鏈表結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，把每一個(gè)物理塊當(dāng)中的鏈表指針抽取出來，單獨(dú)組成一個(gè)表格，即文件分配表（FileAllocationTable,FAT），并把它放在內(nèi)存當(dāng)中。特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了鏈表指針與文件數(shù)據(jù)的分離，整個(gè)物理塊都可以用來存放數(shù)據(jù)；FAT表放在內(nèi)存當(dāng)中，因此，若要隨機(jī)地訪問文件的第n個(gè)邏輯塊，可以先從FAT表中查到相應(yīng)的物理塊編號（地址），然后再去訪問外存，這樣只需訪問一次外存，速度快。10…

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…01910162531jeep…9目錄項(xiàng)FAT磁盤1.臨時(shí)or長久？2.FAT還有何用?7.3文件的物理結(jié)構(gòu)顯式鏈?zhǔn)轿募?.3文件的物理結(jié)構(gòu)索引結(jié)構(gòu)：類似于普通頁表，把文件的每一個(gè)邏輯塊所對應(yīng)的物理塊編號直接記錄在FCB中，稱為I結(jié)點(diǎn)（inode，index-node，索引結(jié)點(diǎn)）。特點(diǎn)：每一個(gè)文件都有一個(gè)索引結(jié)點(diǎn)；直接實(shí)現(xiàn)邏輯塊與物理塊的映射；只需把那些正被使用的文件的索引結(jié)點(diǎn)裝入內(nèi)存即可，不必象FAT表那樣須全部裝入。7.3文件的物理結(jié)構(gòu)7.3.3索引文件7.3文件的物理結(jié)構(gòu)多級索引文件混合索引文件（本圖摘自Silberschatz,GalvinandGagne：“OperatingSystemConcepts”）UFS-UnixFileSystem支持多大的文件？如果要訪問任意一個(gè)數(shù)據(jù)塊，最多需要訪問幾次硬盤？12混合索引文件7.4磁盤存儲空間管理7.4.1空閑表法

為外存上的所有空閑區(qū)建立一張空閑表，每個(gè)空閑區(qū)對應(yīng)一個(gè)表目，包括序號、該區(qū)的起始空閑盤塊號、空閑盤塊數(shù)目等，按起始空閑盤塊號排序。

分配：是一種連續(xù)分配方式，順序查找空閑表，找到第一個(gè)合適的空閑區(qū)，修改空閑表。

回收：將相應(yīng)塊按序填回表中，并與前后合并成大塊。 特點(diǎn)：連續(xù)存放，易產(chǎn)生碎片。7.4磁盤存儲空間管理7.4.1空閑表法空閑表序號第1個(gè)空白塊號空白塊數(shù)物理塊號1242,3,4,52939,10,11315515,16,17,18,194………7.4磁盤存儲空間管理7.4.2空閑鏈表法空閑盤塊鏈將磁盤上所有空閑存儲空間，以盤塊為單位鏈成一個(gè)鏈表。分配：從鏈?zhǔn)组_始，依次摘下適當(dāng)數(shù)目的空閑盤塊進(jìn)行分配?；厥眨阂来捂溔腈溛病Ｌ攸c(diǎn)：分配、回收簡單，空閑盤塊鏈可能很長?？臻e盤區(qū)鏈將磁盤上所有空閑存儲空間，以盤區(qū)（包括若干盤塊）為單位鏈成一個(gè)鏈表。分配：查找合適大小的盤區(qū)進(jìn)行分配回收：與前后盤區(qū)合并特點(diǎn)：分配、回收復(fù)雜，空閑盤區(qū)鏈較短。7.4磁盤存儲空間管理7.4.2空閑鏈表法空閑鏈表例：Windows文件系統(tǒng)012435678FCBFATDataA33569-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-15-1-1-1-1-1-15-16-1-1-1-15-16eof7.4磁盤存儲空間管理7.4.3位示圖法

系統(tǒng)為文件存儲空間建立一張位示圖，如下圖。位示圖，反映了整個(gè)存儲空間的分配情況，其中每一位對應(yīng)一個(gè)物理塊，“1”表示對應(yīng)塊已被分配，“0”表示對應(yīng)塊為空白。7.4磁盤存儲空間管理7.4.3位示圖法位示圖1000110001111101001000111111111111100011111001000123456789101112131415012位號字號7.4.3位示圖法盤塊的分配順序掃描位示圖，找到一個(gè)或一組為“0”的二進(jìn)制位將位號、字號轉(zhuǎn)換為盤塊號，進(jìn)行分配：

塊號=位數(shù)*字號+位號修改位示圖，置“1”。盤塊的回收將盤塊號轉(zhuǎn)換為位號、字號： 字號=塊號DIV位數(shù)

位號=塊號MOD位數(shù)修改位示圖，置“0”。例：Bitmap012435678FCBBitmapDataA3,5,694700011111000B4,700001001

000(A)3,5,6CC0,1,2,3,511111

1

01

000012357.4磁盤存儲空間管理7.4.4成組鏈接法

文件區(qū)中的所有空閑盤塊，被分成若干個(gè)組，比如，將每100個(gè)盤塊作為一組。假定盤上共有10000個(gè)盤塊，每塊大小為1KB，其中第201～7999號盤塊用于存放文件，即作為文件區(qū)，這樣，該區(qū)的最后一組盤塊號應(yīng)為7901～7999；次末組為7801～7900，…，倒數(shù)第二級的盤塊號為301～400，第一組為201～300。7