第5章操作系统《文件系统》习题

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1、第5章 文件系统 5.1 文件系统概述 5.2 文件的结构和存取法 5.3 文件目录 5.4 文件存储空间的管理 5.5 文件的共享 5.6 文件的存取控制 5.7 文件系统和用户间的接口 5.8 小结 习题 第5章 文件系统 5.1.1 文件和文件系统 1. 文件 操作系统对文件的管理是通过把它组织成一个个文件的方 法来实现的。那么，什么是文件呢? 文件(File)是一个具有符号名的一组相关联元素的有序序列 。 文件可以包含范围非常广泛的内容。系统和用户都可以将 具有一定独立功能的程序模块、一组数据或一组文字命名为一 个文件。例如用户的一个Pascal源程序、一个目标代码程序、 系统中的库程

2、序和各种系统程序、一批待加工处理的数据、一 篇文章等，都可构成一个文件。 5.1 文件系统概述 第5章 文件系统 文件中的“元素”是可编址的最小信息项目(字或字节)。通 常，一个文件由若干个称为逻辑记录的最小单位组成。记录是 一个有意义的信息集合，它是作为对文件进行存取操作的基本 单位。一个文件的各个记录的长度可以相等也可以不等。在有 些情况下，一个逻辑记录还可以包含若干个数据项，例如，为 每个学生的成绩建立一个文件，学生的姓名可作为该文件的符 号名，每门课程设置一个记录，记录中还可以包含几个数据项 ：作业、实习、期中、期末。但是，本章只讨论基本文件系统 ，也就是说，只涉及文件记录的简单逻辑组

3、织。它处理在操作 系统级上的无结构、无解释的信息集合。因此，这里讲述的文 件基本上都是程序和有关数据的集合。 第5章 文件系统 应该指出，某些慢速字符设备也被看成是一个文件。这是 因为，在这些设备上传输的信息可以看作是一组顺序字符序列 ，这类文件实际上是顺序文件。例如键盘输入文件、打印机文 件等。 第5章 文件系统 2. 文件系统 操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构称为文件 管理系统，简称文件系统。文件系统由三部分组成：与文件管 理有关的软件、被管理的文件以及实施文件管理所需的数据结 构。从系统角度来看，文件系统是对文件存储器的存储空间进 行组织和分配，负责文件的存储并对存入的文件进行

4、保护和检 索的系统。具体地说，它负责为用户建立文件，存入、读出、 修改、转储文件，控制文件的存取，当用户不再使用时撤消文 件等。 第5章 文件系统 在操作系统中增设了文件管理部分后，为用户带来了如下 好处： (1) 使用的方便性：由于文件系统实现了按名存取，用户 不再需要为他的文件考虑存储空间的分配，因而无需关心他的 文件所存放的物理位置。特别是，假如由于某种原因，文件的 位置发生了改变，甚至连文件的存储装置也换了，在具有按名 存取能力的系统中，对用户不会产生任何影响，因而也用不着 修改他们的程序。 第5章 文件系统 (2) 数据的安全性：文件系统可以提供各种保护措施，防 止无意的或有意的破坏

5、文件。例如有的文件可以规定为“只读 文件”，如果某一用户企图对其修改，那么文件系统可以在存 取控制验证后拒绝执行，因而这个文件就不会被误用而遭到破 坏。另外，用户可以规定他的文件除本人使用外，只允许核准 的几个用户共同使用。若发现事先未核准的用户要使用该文件 ，则文件系统将认为其非法并予以拒绝。 (3) 接口的统一性：用户可以使用统一的广义指令或系统 调用来存取各种介质上的文件。这样做简单、直观，而且摆脱 了对存储介质特性的依赖以及使用I/O指令所做的繁琐处理。 从这种意义上看，文件系统提供了用户和外存的接口。 第5章 文件系统 5.1.2 文件的类型 为便于文件的控制和管理，通常把文件分成若

6、干类型。 文件按其性质和用途可以分为： (1) 系统文件：有关操作系统及其它系统程序的信息所组 成的文件。这类文件对用户不直接开放，只能通过系统调用为 用户服务。 (2) 库文件：由标准子程序及常用的应用程序组成的文件 。这类文件允许用户调用，但不允许用户修改。 第5章 文件系统 (3) 用户文件：由用户委托操作系统保存的文件，如源程 序文件，目标程序文件，以及由原始数据、计算结果等组成的 文件。这类文件根据使用情况又可以分为三种类型： 临时文件：用户在一次算题过程中建立的“中间文件” 。当用户撤离系统时，其文件也随之被撤消。 档案文件：只保存在作为档案的磁带上，以便考证和 恢复时用的文件，如

7、日志文件。 永久文件：用户要经常使用的文件。它不仅在磁盘上 有文件副本，而且在“档案”上也有一个可靠的副本。 第5章 文件系统 根据文件的保护方式，文件可分为三类： (1) 只读文件：允许文件主及核准的用户读，但不允许写 的文件。 (2) 读写文件：允许文件主及核准的用户读、写，但禁止 未核准的用户读、写的文件。 (3) 不保护文件：所有用户都可以存取的文件。 第5章 文件系统 按文件信息的流向，文件又可分为三类： (1) 输入文件：例如键盘输入文件，只能输入。 (2) 输出文件：例如打印机文件，只能输出。 (3) 输入输出文件：在磁盘、磁带上的文件，既可读，又 可写。 第5章 文件系统 在U

8、NIX操作系统中，文件按组织和处理方式分为三类： (1) 普通文件：由内部无结构的一串平滑的字符构成的文 件。这种文件既可以是系统文件，也可以是库文件或用户文件 。 (2) 目录文件：由文件目录构成的一类文件。对它的处理( 读、写、执行)在形式上与普通文件相同。 (3) 特别文件：由一切输入输出慢速字符设备构成的文件 。这类文件对于查找目录、存取权限验证等的处理与普通文件 相似，而其它部分的处理要针对设备特性要求做相应的特殊处 理。 根据存取方法和物理结构，文件还可以划分为不同类型， 这些划分在后面的章节中将进一步介绍。 第5章 文件系统 5.1.3 文件系统的基本功能 本章仅讨论操作系统中的

9、文件系统，这种文件系统只涉及 信息的简单逻辑组织，即不考虑各信息项(或记录)间的结构关 系，也无需对它们作出相应的解释。这与数据库管理系统侧重 点不同。数据库管理系统侧重于信息项间的结构关系和对这些 信息项的解释。 第5章 文件系统 从用户使用角度或从系统外部来看，文件系统主要实现了 “按名存取”；从系统管理角度或从系统内部来看，文件系统主 要实现了对文件存储器的空间的组织和分配，对文件信息的存 储，以及对存入的文件进行保护和检索。具体地说，它要借助 组织良好的数据结构和算法有效地对文件信息进行管理，提供 简明的手段，使用户方便地存取他的信息。综合上述两方面的 考虑，操作系统中的文件管理部分应

10、具有如下功能： (1) 文件的结构及有关存取方法； (2) 文件的目录机构和有关处理； 第5章 文件系统 (3) 文件存储空间的管理； (4) 文件的共享和存取控制； (5) 文件操作和使用。 以下各节分别讲述上述五个基本功能，从而使读者对文件 系统有一个全面的了解。 第5章 文件系统 文件系统的设计者应当从两种不同的观点去研究和设计文 件的结构和存取方法。 一种是用户观点，其目的是研究用户“思维”中的抽象文件 ，即逻辑文件。研究的重点是为用户提供一种结构清晰、使用 方便的逻辑文件形式。用户将按照这种形式去存储、检索和加 工有关文件信息。 5.2 文件的结构和存取法 第5章 文件系统 另一种是

11、系统观点，其目的是研究驻留在设备介质上的实 际文件，即物理文件。研究的重点在于选择一些工作性能良好 ，设备利用率高的物理结构。系统按照这种形式去和外部设备 打交道，控制信息的传输。文件系统的重要作用之一，就是在 用户的逻辑文件和相应设备上的物理文件之间建立映射，实现 二者之间的转换。 文件的存取方法是由文件的性质和用户使用文件的要求决 定的。 下面给出文件的逻辑结构、物理结构和相应于不同结构的 存取方法。 第5章 文件系统 5.2.1 文件的逻辑结构 文件的逻辑结构通常采用两种形式，一是有结构的记录式 文件，二是无结构的流式文件。 记录式文件主要来源于卡片文件。早期的计算机的输入通 常采用卡片

12、形式。人们把一张卡片上的信息作为一个记录保存 。一个源程序是由一叠卡片组成的，从而它是一组记录的集合 ；打印机输出的每一行作为一个记录，从而打印机文件也是由 一组记录所组成的。 第5章 文件系统 记录式文件可分为定长记录文件和变长记录文件两种。前 者的文件长度由记录长度和记录个数确定；后者的文件长度为 各记录长度之和。这两类文件的形式如图 5.1 所示。在变长记 录中，由于每个记录长度不等，通常在每个记录前部用固定的 字节数(例如用 2 个字节)来表示该记录的长度。无结构的流式 文件是有序字符的集合。UNIX文件的逻辑结构就是采用这种 方式。文件的长度等于该文件所包含的字符数。 第5章 文件系

13、统 图 5.1 记录式文件 (a) 定长记录文件；(b) 变长记录文件 第5章 文件系统 对于主要用于处理文本文件(如源程序、中间代码、文本 格式加工和编辑)的系统来说，记录并不是必需的。比如，用 户源程序本来就是一个顺序的字符流，如果硬要把它划分为若 干个记录，则并无益处。当然，在某些情况下，记录的概念还 是需要的。但是从精简系统的目标出发，不妨就提供这种无结 构文件。采用这种文件组织，并不妨碍灵活组织文件的内部逻 辑结构。 第5章 文件系统 5.2.2 文件的物理结构 文件的物理结构是指逻辑文件在文件存储器上的存储结构 。它和文件的存取方法密切相关。文件物理结构的好坏，直接 影响到文件系统

14、的性能。因此，只有针对文件或系统的适用范 围建立起合适的物理结构，才能既有效地利用存储空间，又便 于系统对文件的处理。 第5章 文件系统 为了有效地分配文件存储器的空间，通常把它们分成若干 块，并以块为单位进行分配和传送。每个块称为物理块，而块 中的信息称为物理记录。物理块长通常是固定的，在软盘上常 以 128 字节为一块，在磁带或磁盘上常以 512 字节或 1024 字 节(1 KB)为一块。在记录式文件中，允许一个逻辑记录占用几 块，也可以在一块中存放几个逻辑记录。 文件在逻辑上都可以看成是连续的，但在物理介质上存放 时，却可以有多种形式。 第5章 文件系统 1. 连续结构 若一个逻辑文件

15、的信息存放在文件存储器上的相邻物理块 中，则称该文件为连续文件，这样的结构称为连续结构。存放 在磁带上的文件，一般采用连续结构， 也就是说逻辑记录Ri+1 ，其物理位置一定紧接在逻辑记录Ri之后。而存放在磁盘上的 文件可以是连续结构的，也可以是非连续结构的。连续文件又 称顺序文件。 假定有一文件A，逻辑记录长和物理块长都是 512 字节， 该文件有 4 个逻辑记录，那么在文件存储器上它也应占用 4 块 ，如果起始块号为 24，那么该文件的分配如图 5.2 所示。 第5章 文件系统 图 5.2 连续结构文件 第5章 文件系统 连续结构的优点是，一旦知道文件存储的起始块号和文件 块数，就可以立即找

16、到所需的信息。其缺点是，首先在建立连 续结构文件时，要求用户给出文件的最大长度，以便系统分配 足够的存储空间，但有时这难以办到；其次，不便于记录的增 、删操作，一般只能在末端进行。 第5章 文件系统 2. 串联结构 串联结构也称链接结构。这种结构不要求所分配的各物理 块是连续的，也不必按顺序排列。为了使系统能方便地找到逻 辑上连续的下一块的物理位置，在每个物理块中设置一个指针 (或称链接字)，它指向该文件的下一个物理块号。图 5.3 给出 了一个串联结构文件的例子。假定文件A的 4 个逻辑记录分别 存放在物理块 22、18、27 和 30 中。它的第一物理块号由文件 说明指出，其余的物理块号由上