【经管类】文件管理(11)

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1、1概述 文件的结构和存取方式 文件目录 文件系统的实现 文件的使用 文件系统的可靠性和安全 性 文件系统的性能问题第四章 文件管理2所有的计算机应用程序都要：存储信息，检索信息三个基本要求：能够存储大量的信息长期保存信息可以共享信息一、概述3把信息以一种单元，即文件的形式存储 在磁盘或其他外部介质上 文件是通过操作系统来管理的，包括： q 文件的结构，命名，存取，使用，保护 和实现方法解决方法4用户观点：文件系统如何呈现在其面前：一个文件 有什么组成，如何命名，如何保护文件 ，可以进行何种操作等等 操作系统观点：文件目录怎样实现，怎样管理存储空间 ，文件存储位置，磁盘实际运作方式(与 设备管理

2、的接口)等等看待文件的两种观点5（1）文件 一组带标识的在逻辑上有完整意义的信 息项的序列，这个标识为文件名 信息项：构成文件内容的基本单位 长度：单个字节，或多个字节 文件内容的意义：由文件的建立者和使 用者解释1. 文件与文件系统6各信息项之间具有顺序关系信息项 信息项 . 信息项 . 信息项编号：0 1 i n-1读写指针7文件是一个抽象机制，它提供了一种把 信息保存在存储介质上，而且便于以后 存取的方法，用户不必关心实现细节文件的特点8是操作系统中统一管理信息资源的一种 软件，管理文件的存储、检索、更新， 提供安全可靠的共享和保护手段，并且 方便用户使用 三种理解方式 q 操作系统管理

3、文件的部分 q 一种文件管理的具体格式, 如FAT32等 q 一个具体的文件系统, 如 D:（2）文件系统9给出文件命名规则：长度，数字和特殊字符，大小写区分， 支持文件扩展名（一个或多个）例子：.bak .c .f77 .gif.hlp .html .mpg .o.ps .tex .txt .zip（3）文件命名10统一管理文件的存储空间，实施存储空 间的分配与回收实现文件的按名存取名字空间 映射 存储空间（4）功能 (1)11实现文件信息的共享，并提供文件的保 护和保密措施向用户提供一个方便使用的接口（提供 对文件系统操作命令，以及提供对文件 的操作命令：信息存取、加工等）（4）功能 (2

4、)12系统维护及向用户提供有关信息 文件系统的执行效率文件系统在操作系统接口中占的比例 最大，用户使用操作系统的感觉在很大 程度上取决于对文件系统的使用效果 提供与I/O的统一接口（4）功能 (3)13（1）按文件性质和用途分类系统文件：有关OS及有关系统所组成文件用户文件：库文件：标准子程序及常用应用程序组 成文件，允许用户使用但不能修改2.文件的分类 (1)14（2）按信息保存期限分类临时文件；永久文件；档案文件 （3）按文件的保护方式分类只读文件；读写文件；可执行文件 （4）按文件的逻辑结构分类流式文件；记录式文件文件的分类 (2)15（5）按文件的物理结构分类顺序（连续）文件；链接文件

5、；索引文 件 （6）UNIX系统将文件分为三类普通文件；目录文件；特殊文件（设备文 件，把外部设备也看作文件）文件的分类 (3)16普通文件(regular)包含的是用户的信息，一般为ASCII或二进制文 件 目录文件(directory)管理文件系统的系统文件 特殊文件(special file)字符设备文件：和输入输出有关，用于模仿串 行I/O设备，例如终端，打印机，网络等块设备文件：模仿磁盘UNIX系统的三类文件171.文件的逻辑结构从用户角度看文件，研究文件的组织形式二、文件的结构及文件存取方式1819构成文件的基本单位是字符，文件是有逻 辑意义的、无结构的一串字符的集合。文件：一个无

6、结构字节序列好处：提供很大的灵活性（1）流式文件20文件是由若干个记录组成，每个记录有 一个键，可按键进行查找。记录式文件 是有结构的文件。文件：一个固定长度记录的序列，每条 记录有其内部结构（2）记录文件21磁盘，磁带，光盘 （1）物理块(块)在文件系统中，文件的存储设备常常划 分为若干大小相等的物理块。同时也将 文件信息划分成相同大小的逻辑块（块 ），所有块统一编号以块为单位进行信息的存储、传输、分配2.存储介质22（2）磁带永久保存大容量数据 顺序存取设备： q 前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续 的物理块的内容 存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储 不经常用的信息，或用于 传递

7、数据的介质23第i块 间隙 第i+1块磁带的存储格式24直接（随机）存取设备：存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物 理块所处的位置（3）磁盘25磁道扇区26柱面扇区磁臂磁头27信息记录在磁道上，多个盘片，正反两 面都用来记录信息，每面一个磁头所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁 道组成一个柱面物理地址形式：磁头号（盘面号）磁道号（柱面号）扇区号有关磁盘的术语28磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组 成，实际存取读写的动作过程是由磁盘 驱动控制设备按照主机要求完成的一次访盘请求：读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁 头号，扇区号），内存地址（源/目）29完成过程由三个动作组成： 寻道（时间）：磁头

8、移动定位到指定磁道 旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头 下旋转经过 数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之 间的实际传输30硬盘又分为两种： 固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头，变 换磁道时不需要磁头的机械移动，速度 快但成本高 移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变 换磁道时需要移动磁头，速度慢但成本 低31硬盘的结构和引导区32光盘容量大，速度快，价格便宜，但一 般不可写可读写光盘驱动器价格贵，写过程很麻 烦光盘的空间结构与磁盘类似（4）光盘33容量大，断电后仍可保存信息，速度较慢 ，成本较低 由两部分组成：驱动部分+存储介质种类很多 外存空间组织与地址与存取方式非常复杂 I/O过程方式非常复

9、杂（5）外存的特点34用户对外存的使用：读写外存数据用户对外存的要求：方便、效率、安全（6）用户对外存的要求35在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻 辑地址和逻辑操作 存取速度尽可能快，容量大且空间利用 率高 外存上存放的信息安全可靠，防止来自 硬件的故障和他人的侵权 可以方便地共享，动态扩缩，携带拆卸 ，了解存储情况和使用情况 以尽可能小的代价完成上述要求36是从系统的角度来看文件，从文件在物理 介质上的存放方式来研究文件 （1）连续结构（顺序）文件的信息存放在若干连续的物理块中优点: 简单 支持顺序存取和随机存取顺序存取速度快所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少3.文件的物理结构3738缺点:

10、文件不能动态增长预留空间:浪费重新分配和移动 不利于文件插入和删除 外部碎片问题存储压缩技术39一个文件的信息存放在若干不连续的物理 块中，各块之间通过指针连接，前一个 物理块指向下一个物理块优点：提高了磁盘空间利用率,不存在外 部碎片问题有利于文件插入和删除有利于文件动态扩充（2）链接结构40文件名 始址 末址jeep 9 25文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-12541缺点：存取速度慢，不适于随机存取可靠性问题，如指针出错更多的寻道次数和寻道时间链接指针占用一定的空间链接结构的一个变形:文件分配表

11、FAT42一个文件的信息存放在若干不连续物理 块中，系统为每个文件建立一个专用数 据结构-索引表，并将这些块的块号存 放在一个索引表中一个索引表就是磁盘块地址数组,其中第 i个条目指向文件的第i块（3）索引结构43012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名 索引表地址文件目录Jeep 199 161 10 25-1-1-11944优点：保持了链接结构的优点，又解决了其缺 点： 即能顺序存取，又能随机存取 满足了文件动态增长、插入删除的要求 能充分利用外存空间45缺点：较多的寻道次数和寻道时间索引表本身带来了系统开销如：内外

12、存空间，存取时间46索引表组织:链接模式:一个盘块一个索引表,多个索 引表链接起来多级索引:将一个大文件的所有索引表（ 二级索引)的地址放在另一个索引表（ 一级索引)中综合模式:47UNIX文件系统采用的是多级索引结构( 综合模式)。每个文件的索引表为13个 索引项，每项2个字节。最前面10项直 接登记存放文件信息的物理块号（直接 寻址）48如果文件大于10块，则利用第11项指向 一个物理块，该块中最多可放256个文 件物理块的块号（一次间接寻址）。对 于更大的文件还可利用第12和第13项作 为二次和三次间接寻址UNIX中采用了三级索引结构后，文件最 大可达16兆个物理块4950存取方式 顺序

13、存取方式 随机(直接)存取方式4.文件结构、文件存取方式与文件存储介质的关系存储介质物理结构存取方式磁带连续结构顺序存取磁盘连续链接索引顺序顺序顺序随机 随机511.基本概念 文件控制块（FCB）：文件控制块是操 作系统为管理文件而设置的数据结构， 存放了为管理文件所需的所有有关信息 （文件属性）文件控制块是文件存在的标志三、文件目录52文件名，文件号，用户名，文件地址， 文件长度，文件类型，文件属性，共享 计数，文件的建立日期，保存期限，最 后修改日期，最后访问日期，口令，文 件逻辑结构，文件物理结构文件控制块的内容53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

14、 序集合 目录项：构成文件目录的项目（目录项 就是FCB）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目录、目录项、目录文件54一级目录结构 二级目录结构 多级目录结构2. 目录结构55（1）一级目录结构为所有文件建立一个目录文件（组成一线性 表） 优点：简单，易实现 缺点： q 限制了用户对文件的命名 q 文件平均检索时间长 q 限制了对文件的共享56为改变一级目录文件目录命名冲突，并 提高对目录文件检索速度而改进目录分为两级：一级称为主文件目录， 给出用户名，用户子目录所在的物理位 置；二级称为用户文件目录（又称用户 子目录），给出

15、该用户所有文件的FCB（2）二级目录结构57优点：解决了文件的重名问题和文件共享 问题用户名|文件名查找时间降低 缺点：增加了系统开销二级目录结构的优缺点5859（3）多级目录结构（树型目录）c60树型目录的优缺点优点：层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件 分类；解决重名问题；提高文件检索速度； 能进行存取权限的控制 缺点：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6162哈希表算法： 目录项信息存在一哈希表中，搜索时根据 文件名计算哈希值得到一个指向表中文件的 指针其他算法： 如B+树NTFS文件系统就采用了B+树目录的其他实现方法63访问文件包括： 目录检

16、索：用户给出文件名，按名寻找目录项 根据路径名检索：全路径名：从根开始相对路径：从当前目录开始（4）文件目录检索64文件寻址根据FCB中文件物理地址等信息，求出 文件的任意记录或字符在存取介质上的 地址，称为文件寻址65（5）文件目录改进为加快目录检索可采用目录项分解法： 把FCB分成两部分：符号目录顶（次部）文件名，文件号基本目录项（主部）除文件名外的所有项目 UNIX：I节点（索引节点）6667例子：一个FCB有48个字节符号目录项占 8字节文件名6字节，文件号2字节基本目录项占 48-6=42字节假设，物理块大小512字节，问分解前 与分解后各需要多少个物理块？68解：分解前：占512/48=10个FCB分解后：占512/8=64个符号目录项 或512/42=12个基本