计算机文件系统

《计算机文件系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机文件系统（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 文 件 系 统本章内容提要n概述n文件系统的功能和结构n目录结构和目录查询n文件和目录操作n文件系统的实现n管道文件n文件系统的可靠性6.1 概述6.1.1 文件及其分类1文件n通常存放在外存（如磁盘、磁带）上，可以作为一个独立单位存放和实施相 应的操作（如打开、关闭、读、写等）。2文件类型文件分类方法（1）按用途分类 系统文件 库文件 用户文件（2）按文件中的数据形式分类 源文件 目标文件 可执行文件 （3）按存取权限分类 只读文件 读写文件 可执行文件 （3）按存取权限分类 只读文件 读写文件 可执行文件 （4）按保存时间分类 临时文件 永久文件文件类型（5）在UNIX/Linux和MS

2、-DOS系统中，按文件的内部构造和 处理方式分类 普通文件 由表示程序、数据或文本的字符串构成，内部没有 固定的结构。 目录文件 由下属文件的目录项构成的文件。 特别文件 特指各种外部设备。特别文件分为字符特别文件和块特别文件。普通文件通常分为ASCII文件和二进制文件。ASCII文件由只包含ASCII字符的正文行组成，每个正文行以回车符或换 行符终止，各行的长度可以不同。ASCII文件又称文本文件。二进制文件所包含的每个字节可能有256(28)种值。通常可执行的二进制文件都有内部结构。存档文件是二进制文件的另一示例。文件类型文件类型 可执行文件和存档文件内部结构示意图 6.1.2 文件命名n

3、用户对文件也是“按名存取”的。n不同系统对文件的命名规则是不同的。n很多操作系统支持的文件名都由两部分构成：文 件名和扩展名，二者间用圆点分开。常见文件扩展名及其含义扩 展 名文 件 类 型含 义exe，com，bin可执行文件可以运行的机器语言程序obj，o 目标文件编译过的、尚未连接的机器语言程序c，cc，java， pas，asm，a源文件用各种语言编写的源代码bat，sh批文件由命令解释程序处理的命令txt，doc文本文件文本数据、文档wp，tex，rrf， doc字处理文档文 件各种字处理器格式的文件lib，a，so，dll库文件供程序员使用的例程库arc，zip，tar打印或视图文

4、 件以打印或可视格式保存的ASCI I码文 件或二进制文件 arc，zip，tar存档文件相关文件组成一个文件（有时压缩） 进行存档或存储 mpeg，mov，rm多媒体文件包含声音或A/V信息的二进制文件6.1.2 文件命名6.1.3 文件属性n文件属性:描述文件特征的属性 可能用到的文件属性属 性含 义属 性含 义保护谁能访问该文件，以何种方式访 问临时标志0表示正常，1表示进程结束时删除 文件 口令访问该文件所需口令锁标志0表示开锁，非0表示上锁创建者文件创建者的标识记录长度一个记录的字节数文件主当前文件主关键字位置每个记录中关键字偏移只读标志0表示读/写，1表示只读关键字长度关键字字段中

5、字节数隐藏标志0表示正常，1表示不在列表中显 示创建时间创建文件的日期和时间系统标志0表示一般文件，1表示系统文件最后存取时间最后存取文件的日期和时间存档标志0表示已经后备，1表示需要后备最后修改时间最后修改文件的日期和时间ASCI I/二进制 标志0表示ASCI I文件，1表示二进制 文件当前长度文件字节数随机存取标志0表示只能顺序存取，1表示随机 存取最大长度文件允许最大字节数6.1.4 文件存取方法1顺序存取方法顺序存取定长记录文件示意图 对定长记录文件，有rpi+1= rpi + ln对变长记录文件rpi+1= rpi + lili是第i个记录的长度。顺序存取变长记录文件示意图 顺序存

6、取方法2随机存取方法n随机存取文件方式允许以任意顺序读取文件中的 字节或记录。随机存取定长记录文件示意图 随机存取文件方式允许以任意顺序读取文件中的字节或记录先要设置读/写指针的当前位置 随机方式下读/写文件等操作都以块号为参数 3其他存取方法n通常采用索引表组织方式直接存取变长记录文件的索引表结构对于大型文件，建立二级索引，即主索引文件包含的项是指向次索引文件 的指针，次索引文件包含的项才是指向实际数据项的指针。 6.1.5 文件结构1无结构文件无结构文件是指文件内部不再划分记录，是由一组相关信息组成的有序 字符流，即流式文件。三种文件结构示意图 2有结构文件有结构文件又称记录式文件。它在逻

7、辑上可被看成一组连 续记录的集合，即文件是由若干相关记录组成，且对每个 记录编上号码 定长记录文件。 变长记录文件。 3树形文件这种结构的文件由一棵记录树构成，各个记录的长度可以 不同。6.2 文件系统的功能和结构6.2.1 文件系统的功能n文件管理系统，简称文件系统。n操作系统中负责操纵和管理文件的一整套设施，它实现文件 的共享和保护，方便用户“按名存取”。 n一般来说，文件系统应具备以下5种功能： 文件管理。 目录管理。 文件存储空间管理。 文件的共享和保护。 提供方便的接口。看待文件系统有不同的观点，主要是用户观点（即外部使 用观点）和系统观点（即内部设计观点）。 6.2.2 文件系统的

8、结构文件系统的层次结构6.3.1 文件控制块和文件目录1文件控制块n在文件系统内部，给每个文件惟一地设置一个文件控制块 。n通常由下列信息项组成： 文件名 文件类型 位置 大小 保护信息 使用计数 时间6.3 目录结构和目录查询2文件目录n为了加快对文件的检索，往往将文件控制块集中在一起进 行管理。这种文件控制块的有序集合称为文件目录。文件 控制块就是其中的目录项。完全由目录项构成的文件称为 目录文件。MS-DOS目录项示意图 UNIX目录项示意图 6.3.2 单级目录结构n在这种组织方式下，全部文件都登记在同一目录中。单级目录结构示意图 优点：简单，能够实现按名存取。 缺点： 查找速度慢 不

9、允许重名 不便于共享 6.3.3 二级目录结构二级目录结构示意图 优点：不同用户可有相同的文件名；提高了检索目录的速度；不同用户可用不同的文件名访问系统中同一文件。 缺点: 这种结构仍不利于文件共享。6.3.4 树形目录结构1树形目录从根目录开始，一层一层 地扩展下去，形成一个树 形层次结构，每个目录的 直接上一级目录称做该目 录的父目录，而它的直接 下一级目录称做子目录。树形目录结构示意图 2路径名 绝对路径名又称全路径名，是指从根目录开始到达所要查找文件的路径名。( root )/usr/ml/prog/f1.c 相对路径名当前目录（又称工作目录）主目录 绝对路径名从根目录开始书写，如：/

10、usr/ml/prog/f1.c相对路径名是从当前目录的下级开始书写，如当前目录是/usr/ml，则有 ：prog/f1.c 文件的层次和隶属关系很清晰，便于实现不同级别的存取保护和文件系统 的动态装卸。但是，在上述纯树形目录结构中，只能在用户级对文件进行临时共享。6.3.5 非循环图目录结构n它允许一个文件或目录在多 个父目录中占有项目，但并 不构成环路。n这种结构方式叫做链接（ Link）。n文件共享通过两种链接方式 实现：允许目录项链接到 任一表示文件目录的节点上 ；只允许链接到表示普通文件的叶节点上。 非循环图目录结构示意图 6.3.6 目录查询方法 1线性检索法 又称顺序检索法线性检

11、索法简单易行，但是速度慢。 2散列法散列法需要有目录文件和散列表，每个散列值是由文件名 计算出来的，并且散列表项中有指向线性表中文件名的指 针。这种方法利用线性表存放目录项（与线性法相同）， 利用散列数据结构进行检索。简便，减少了目录查询时间需要预防冲突问题 即两个文件名有相同的散列值。主要困难是它有固定的大小，并且散列函数也依赖该大小。 6.4.1 文件操作1创建文件create2删除文件delete3打开文件open4关闭文件close5读文件read6写文件write7附加文件append8读写定位seek9取文件属性get_attributes10置文件属性set_attributes

12、11重新命名文件rename6.4 文件和目录操作6.4.2 目录操作1创建目录create2删除目录delete3打开目录opendir4关闭目录closedir5读目录readdir6重新命名目录rename7链接文件link8解除链接unlink6.5 文件系统的实现6.5.1 文件系统的格式1文件系统的不同含义功能定义：在操作系统内部（通常在内核中）用来对文件进行控制和管 理的一套机制及其实现。 具体实现和应用：文件系统指存储介质按照一种特定的文件格式加以构造 。2文件系统的格式硬盘分区 通过对硬盘分区，多个操作系统可以共存于同一个硬盘中。当系统中硬盘容量较大时，使用分区可以提高硬盘的

13、访问效率。在不同分区上安装不同的操作系统，能够方便管理和维护。一般文件系统格式 一般文件系统格式示意图 6.5.2 文件存储分配n文件的物理组织涉及一个文件在存储设备上是如何放置的 。它和文件的存取方法有密切关系，另外也取决于存储设 备的物理特性。n文件的存储分配涉及以下三个问题： 当创建新文件时，是否一次性为该文件分配所需的最 大空间？ 为文件分配的空间可以是一个或多个连续的单位。分配文件空间时应采用的单位有多大？ 为了记录分配给各个文件的连续单位的情况，应该使 用哪种形式的数据结构或表格？1连续分配文件连续分配示意图 n采用连续分配方法可把逻辑文件中的信息顺序地存放到一 组邻接的物理盘块中

14、，这样形成的物理文件称为连续文件 （或顺序文件）。优点：在顺序存取时速度较快，一次可以存取多个盘块，改进了 I/O性能；也很容易直接存取文件中的任意一块。缺点： 要求建立文件时就确定它的长度，依此来分配相应的存储空间， 这往往很难实现。 它不便于文件的动态扩充。 可能出现外部碎片。实现连续盘块分配的策略 最先适应算法 最佳适应算法 最近适应算法连续分配 2链接分配n把一个逻辑上连续的文件分散存放在不同的物理块中，这些物理块不要求连续，也不必规则排列。 文件链接分配示意图 n这种物理结构形式的文件称做链接文件或串连文件。n采用链接分配不会产生磁盘的外部碎片n文件可以动态增长n不需要紧缩磁盘空间n

15、带来以下三个新的问题： 一般仅适于对信息的顺序访问，而不利于对文件的随 机存取。 每个物理块上增加一个链接字 可靠性链接分配 nFAT表出现在每个磁盘分区开头的扇区中，每个盘块在表中占一项。 每个盘块在表中占一项，表的序号是物理盘块号，每个表项中存放链 接下一盘块的指针。这样，FAT表就被用做链表。 链接分配文件分配表（FAT）示意图 3索引分配除了具备链接文件的优点 外，还克服了它的缺点。 它可以方便地进行随机存 取。 这种组织形式需要增加索 引表带来的空间开销。存取文件的速度受影响。文件索引分配示意图 4多重索引文件分配UNIX的多重索引文件结构示意图 这种方法具有一般索引文件的优 点，但

16、也存在着间接索引需要多 次访盘而影响速度的缺点。 直接块 间接块 6.5.3 空闲存储空间的管理1空闲空间表法（1）空闲空间表空闲空间表示例 （2）空闲块分配 （3）空闲块回收特别适于存放连续文件 若存储空间有大量的小空闲区时，检索效率降低。会产生外存的外部碎片，造成磁盘空间的浪费。 空闲空间表法2空闲块链接法易于实现 但其工作效率低这种方法与串连文件结构有 相似之处，只是链上的盘块 都是空闲块而已。 空闲块链接法示意图 3位示图（Bit Map）法n它利用一串二进位值反映磁盘空间的分配情况，也称位向 量（Bit Vector）法n设下列盘块是空闲的：2, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11, 12,