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1、计算机操作系统主讲教师：曹建秋 贺清碧课程主要内容操作系统引论（1章） 进程管理（2-3章） 存储管理（4章） 设备管理（5章） 文件管理（6章） 操作系统接口（7章） 系统安全性（9章） *分布式操作系统第6章 文件系统q文件系统的功能/需解决的问题v从系统角度看负责为用户建立、删除、读写、修改和复制文件。v从用户的角度看：实现了按名存取n文件和文件系统n文件逻辑结构n外存分配方式n目录管理n文件共享与文件保护n数据一致性控制n*UNIX系统的文件管理第6章 文件系统本章作业P 文件、记录和数据项（数据的组成）P 文件类型和文件系统模型P 文件操作6.1 文件和文件系统一、数据的组成n数据项
2、n基本数据项（最小的逻辑数据单位）n组合数据项n记录n是一组相关数据项的集合n文件文件n文件n是指记录在外存上的具有文件名的一组相关信息的集合。可分为有结 构文件和无结构文件两种。有结构文件是由若干个相关记录组成，而 无结构文件则被看成一个字符流。n文件属性n文件名、文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件的建立日期以 及用户对该文件的存取权限等n文件表示的范围/包含的内容源程序、二进制代码、文本文档、数据、表格、声音和图像等。n文件的特点文件具有保存性文件是按名存取n文件的内容是一组信息的集合文件、记录和数据项间的层次关系文件记录1记录n记录2数据项1数据项2数据项n二、文件类型 -文件名.
3、扩展名n按用途分n系统文件n用户文件n库文件n按数据形式分n源文件n目标文件n可执行文件n按存取控制属性n只读文件n读写文件n只执行文件n不保护文件n按文件的逻辑结构分有结构文件（记录式文件 ）无结构文件（流式文件）n按文件的物理结构分顺序文件链接文件索引文件n按信息流向分输入文件输出文件输入输出文件三、文件系统模型文件系统接口 对对象 操纵和 管理的 软件集 合逻辑文件系统层 基本I/O管理程序层（文件 组织模块） 基本文件系统层（物理I/O 层) I/O控制层（设备驱动 程序 ） 对象(文件、目录及磁盘存储空间)及 其属性说明逻辑文件系统层：处理文件及记录的相关操作（访问、保护及目录操作）
4、。 基本I/O管理程序层：完成大量与磁盘I/O有关的工作（选择设备，逻辑块号到物理块号 的转换，空闲空间管理等）。 基本文件系统层：负责内存与磁盘间的数据块交换（在外存及内存缓冲区的位置）。 I/O控制层：负责启动I/O操作及处理设备发来的中断信号。四、文件操作用户通过文件系统所提供的系统调用实施对文件的操作。最基本的操作有： q对记录的操作：检索、插入、修改、删除 q对文件的操作 最基本的： 创建 、打开、关闭、删除 、读 、写 、截断 其它的：文件属性类操作、目录类操作文件的“打开”和“关闭”操作“打开”：系统将文件的属性（目录信息）从外存复制到内存打开文件表中，并返回该表目的编号给用户，
5、建立了用户与文件间的联系。以后若再访问此文件，则利用编号直接在内存中检索，从而节省大量的检索开销，提高了文件的操作速度。“关闭”：当用户不再需要对该文件的操作时，系统利用关闭文件将文件的属性从内存打开表中删除，从而切断用户与文件间的联系。6.2 文件逻辑结构对任一文件存在着两种形式的结构：P文件的逻辑结构（文件组织）从用户观点出发，所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于物理特性。P*文件的物理结构（文件的存储结构）是指文件在外存上的存储组织形式，与存储介质的存储性能有关。（分为顺序、链接及索引结构）注： 文件的逻辑结构和物理结构都将影响文件的检索速度。6.2 文件逻
6、辑结构对文件的逻辑结构提出的要求：提高检索；便于修改；降低文件存储费用。P 文件逻辑结构的类型P 顺序文件P 索引文件P 索引顺序文件一、文件逻辑结构的类型P 有结构的记录式文件P文件构成：由一个以上的记录构成。P记录长度：分为定长和变长。P分类（按记录的组织）：顺序文件索引文件索引顺序文件 P 无结构的流式文件 P文件构成：由字符流构成。P长度：字节为单位P访问：读写指针P注：Unix中所有文件视为流式文件二、顺序文件P 逻辑记录的排序P串结构：记录顺序与关键字无关，按存入时间的先后排列。P顺序结构：记录顺序按关键字排列。P 对顺序文件的读、写操作P记录为定长的顺序文件P记录为变长的顺序文件
7、r0 r1 r2 r3Rir0 r1r2 r3 RiRptrRptr读指针Rptr= Rptr+1Rptr= Rptr+LiLi顺序文件的优缺点P 优n顺序存取速度较快（批量存取）。n对定长记录，还可方便实现直接存取。P 缺P对变长记录，直接存取低效P不利于文件的动态增长。三、索引文件P 引入为解决变长记录文件的直接存取低效问题。P 索引文件为变长记录文件建立一张索引表。索引 号长度 m指针 ptr 0m0 1m1 imi r0 r1ri逻辑文件索引表索引文件的特点n优点n通过索引表可方便地实现直接存取，具有较快的检索速度。n易于进行文件的增删。n缺点n索引表的使用增加了存储费用;n索引表的查
8、找策略对文件系统的效率影响很大.n注：若索引表很大，可建多级索引四、索引顺序文件P 引入为解决变长记录文件的直接存取低效且存储费用增加的问题。P 索引文件为顺序文件建立一张索引表。索引 号长度 m指针 ptr 0m0 1m1 imi r0 r1 ri 逻辑文件索引表索引顺序文件的特点n优点n通过索引表可方便地实现直接存取，具有较快的检索速度。n易于进行文件的增删。n缺点n索引表的查找策略对文件系统的效率影响很大.6.3 外存分配方式n文件存储单位：簇（cluster）文件的存储空间通常由多个分立的簇组成，而每个簇包含若干个连续的扇区(sector)/块。n目前常用的外存分配方法：（1）连续分配
9、（顺序分配）（2）链接分配（3）索引分配（1） 外存分配方法-连续/顺序分配nFigure 6-7n为每一个文件分配一片连续的磁盘块/簇n只需要起始块/簇号和长度，适用于预分配方法n可以随机存取n文件不能增长n从逻辑地址映射到物理地址较简单n浪费空间：动态存储分配问题n可以通过紧缩(compact)将外存空闲空间合并成连续的区域。连续/顺序分配的主要优缺点n主要优点n顺序访问容易n顺序访问速度快n缺点n要求有连续的存储空间n必须事先知道文件的长度n存在外部碎片（2） 外存分配方法-链接分配nFigure 6-8n每个文件是一个磁盘块的链接列表：块可以分散在磁盘各处n按所需分配磁盘块，链接在一起
10、n在每个块中有指向下一个块的指针n只需要起始地址n可以通过合并(consolidation)将一个文件的各个簇连续存放，以提 高I/O访问性能。block =pointer链接分配的优缺点n优点1、无外部碎片，没有磁盘空间浪费2、无需事先知道文件大小。文件动态增长时，可动态分配 空闲块。对文件的增、删、改十分方便。*3、不需紧缩磁盘空间。n缺点1、不能支持高效随机/直接访问，仅对顺序存取特有效2、需为指针分配空间。-块 簇 （隐式链接）3、可靠性较低（指针丢失/损害） 文件分配表FAT n FAT需占用较大的内存空间。 （显式链接如Figure 6-9所示 ）文件分配表FAT-figure 6
11、-9、6-10n用于链接文件各物理块的链接指针，显式地存放在内存的一 张链接表中。 n该表在整个磁盘仅设置一张。 n表序号为整个磁盘的物理块号（0-(n-1)） n表项存入链接指针，即下一个块号。 n文件的首块号存入相应文件的FCB中。 n查找在内存的FAT中，故提高了检索速度，同时又减少磁盘 的访问次数。 n被MS-DOS和OS/2等所采用。 P195 Figure 6-10（3） 外存分配方法-索引分配nFigure 6-11n为每一个文件分配一个索引块（表），再把分配给该文件的所有块号，都记录在该索引块中。故索引块就是一个含有许多块号地址的数组。n该索引块的地址由该文件的目录项指出。n支
12、持随机/直接存取。n不会产生外部碎片。n适用于文件较大时。索引分配的几种方式n直接索引分配n多级索引分配Figure6-12n混合索引分配UNIX（4K字节每个块）6.4 目录管理对文件目录的管理要求P实现“按名存取”P提高对目录的检索速度P文件共享P允许文件重名6.4 目录管理P 文件控制块和索引结点P 单级目录结构P 两级目录结构P 树型目录结构P 目录查询技术文件控制块和索引结点从文件管理角度看，文件由FCB和文件体（文件本身）两部分组成 。 n文件控制块（FCB）n文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了 文件的有关说明信息,是文件存在的标志。nFCB中的信息n基本信息类
13、：文件名、文件长度、类型、属性文件物理位置n存取控制信息类：文件存取权限、用户名、口令、共享计数n使用信息类：文件的建立日期、最后修改日期、保存期限、最后访问日期,文件控制块（FCB）n文件目录把所有的FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合。n目录项构成文件目录的项目（目录项就是FCB）n目录文件为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫目录文件文件控制块和索引结点n索引结点n索引结点引入n磁盘索引结点存放在磁盘上的索引结点.(主标识、类型、存取权限、物理地址、长度、连接计数、存 取时间)n内存索引结点存放在内存上的索引结点(索引结点编号、
14、状态、访问计数、逻辑设备号、链接指针)文件 名索引结点编 号 文件 名1 文件 名2 单级目录结构n在整个系统中只建立一张目录表优点: 简单，易实现按名存取缺点: 限制了用户对文件的命名（即易重名）文件平均检索时间长(查找速度慢)不便于实现文件共享只适用于单用户环境文件 名状态 位物理 地址文件其它 属性 Alph a Repo rt Text 两级目录结构n在整个系统中建立两级目录n为每个用户建立一个单独的用户文件目录（UFD）n系统中为所有用户建立一个主文件目录（MFD）Alpha testAlphatestWang用户目录Repor t testtestreportZhang用户目录mi
15、sxbetaGao用户目录beta misx用户 名指向用户目 录指针 Wan g Zhan g Gao主文件目录两级目录结构优点:n提高了检索目录的速度；n不同用户目录中可重名；n不同用户可用不同文件名来访问系统中一共享文件缺点: n限制了各用户对文件的共享n增加了系统开销，缺乏灵活性，无法反映真实世界复杂的 文件结构形式。树型目录结构n在两级目录中若允许用户建立自己的子目录，则形成3级或 多级目录结构（即树型目录结构）有共享的子目录和文件树型目录结构路径名n访问数据文件的一条路径。n绝对路径、相对路径 当前目录 增加和删除目录优点n层次结构清晰,实现分组,便于管理和保护；n解决重名问题；n
16、查找速度加快 缺点n查找一个文件按路径名逐层检查,由于每个文件 都放在外存,多次访盘影响速度目录查询技术数据文件（按名存取）的查询步骤n根据用户提供的文件名，对文件目录进行查询，找到该 文件的FCB（索引结点）n根据FCB（索引结点）所记录的磁盘盘块号，换算出文 件在磁盘上的物理位置n启动磁盘驱动程序，读该数据文件至内存中。对目录进行查询的方式n线性检索法（顺序检索法）nHash方法目录查询技术-线性检索法（顺序检索法）usrastmbox1. 1 4bi n 7D ev 1 4Li b 9Et c 6Us r 8tm p根目录132结点6是 usr的目录 6. 1 1 9Di ck 3 0Eri k 5 1Ji m 2 6As t 4 5bal132#块是 usr的目录结点26是 usrast目录4962 6.6 6 4gran ts 9 2boo
