oslec18文件系统概述课件

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1、OSLec18,1,操作系统 第十八讲,张涛,OSLec18,2,Review,存储管理的基本概念,分页存储管理,分段/段页式存储管理,请求分页存储管理,分区存储管理,虚拟存储,OSLec18,3,本章内容,文件系统概述,文件的结构和存取法,文件目录,文件存储空间的管理,文件系统的使用,文件的共享与保护,OSLec18,4,文件和文件系统,文件类型,文件系统的基本功能,文件系统概述,文件的结构和存取法,Today we focus on,OSLec18,5,5.1 文件系统概述,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 解决

2、方法： 把信息以一种单元即文件的形式存储在磁盘或其他介质上 文件是通过操作系统来管理的 文件的结构，命名，存取，使用，保护和实现方法,OSLec18,6,两种观点： 用户观点： 文件系统如何呈现在其面前：一个文件由什么组成，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(与设备管理的接口)，文件系统性能等等,OSLec18,7,5.1.1 文件与文件系统,什么是文件？ 文件是赋名的信息 (数据)项的集合。 文件是赋名有关联的信息单位 (记录)的集合。 什么是文件名？ 文件的标识符号，一个用来标识文件的有限长度的字

3、符串。,OSLec18,8,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 文件的组成 文件体：文件本身的信息； 文件说明：文件存储和管理信息；如：文件名、文件内部标识、文件存储地址、访问权限、访问时间等； 文件属性： 用一组信息指定文件的类型、操作特性和存取保护等，把这组信息称为文件的属性。 文件的属性一般存放在文件的目录项中。,OSLec18,9,文件系统,什么是文件系统？ 操作系统中负责管理相关文件信息的软件机构。 文件系统管理的对象： （1）文件 （2）目录 （

4、3）磁盘空间 文件系统的组成： 被管理的文件 与文件管理相关的软件 实施文件管理所需的数据结构,OSLec18,10,5.1.2 文件的类型,按照性质和用途分类 系统文件：只能通过系统调用为用户服务； 库文件：允许用户调用但不允许用户修改； 用户文件：用户委托操作系统保存的文件，又分为： 1）临时文件；2） 永久文件；3） 档案文件。 按文件的保护方式分类 只读文件、读写文件、不保护文件 按文件信息的流向 输入文件、输出文件、输入输出文件 按文件的逻辑结构分类 流式文件；记录式文件,OSLec18,11,UNIX系统将文件分为三类： 普通文件： 包含的是用户的信息，一般为ASCII或二进制文件

5、 目录文件： 管理文件系统的系统文件 特殊文件（设备文件，外部设备也看作文件） 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,OSLec18,12,5.1.3 文件系统的基本功能,五个基本功能： 文件的结构及有关存取方法； 文件的目录结构和有关处理 文件存储空间的管理 文件的共享和存取控制 文件操作和使用,OSLec18,13,文件系统的结构和功能元素,OSLec18,14,文件系统要实现的功能模块,文件的分块存储：与外存的存储块相配合； I/O缓冲和调度：性能优化； 文件定位：在外存上查找文件的各个存储块； 外存存储空间管理：如分配和释

6、放。主要针对可改写的外存如磁盘； 外存设备访问和控制：包括由设备驱动程序支持的各种基本文件系统如硬盘，软盘，CD ROM等。,OSLec18,15,文件系统的接口,为方便用户使用文件系统，文件系统通常向用户提供两种类型的接口： (1) 命令接口。这是指作为用户与文件系统交互的接口。 用户可通过键盘终端键入命令，取得文件系统的服务。 (2) 程序接口。这是指作为用户程序与文件系统的接口。 用户程序可通过系统调用来取得文件系统的服务。,OSLec18,16,5.2 文件的结构和存取法,文件结构分别从以下观点研究和设计文件的结构和存取方法： 1）用户观点 研究用户“思维”中的抽象文件 即逻辑文件。

7、2）系统观点 研究驻留在设备介质的实际文件 即物理文件。 文件系统的重要作用之一：用户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。,OSLec18,17,5.2.1 文件的逻辑结构,逻辑结构：从用户角度看文件，研究文件的组织形式 无结构的流式文件 基本信息单位是字节或字，其长度是所含字节的数量。 优点：节省存储空间，无需额外的说明和控制信息。 有结构的记录式文件：由若干个记录组成，文件中的记录可按顺序编号为记录1，记录2，记录n。 定长记录文件：文件中所有记录的长度相等。文件的长度为记录个数与记录长度的积。 变长记录

8、文件：文件中的记录长度不相等。文件长度为所有记录长度之和。,OSLec18,18,OSLec18,19,文件的物理结构是指文件在物理存储介质上的存储结构。 为了有效的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，称为物理块。而块中的信息称为物理记录。 基本的文件物理结构 连续结构 链接结构 索引文件,5.2.2 文件的物理结构,OSLec18,20,一个逻辑文件的信息存放在存储器上的相邻物理块中，该文件为连续文件，这样结构称为连续结构。,连续结构,OSLec18,21,文件名 始址 块数,count 0 2 tr 14 3 mail 19 6 list 28 4 f

9、6 2,文件目录,count,f,tr,mail,list,OSLec18,22,优点： 顺序存取速度快，所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少。知道文件存储的起始块号和文件块数，就可以立即找到所需要的信息。 简单，支持顺序存取和随机存取。 缺点： 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，但这个有时候难以办到； 不便记录的增删操作，一般只能在末端进行。,连续结构的优缺点,OSLec18,23,串连结构链接结构,在每个物理块中设置一指针，指向该文件的下一个物理块号，文件的末尾块存放结束标记“NULL”。,OSLec18,24,OSLec18,25,链接结构的优缺点

10、,优点： 文件可以动态扩充，也不必事先提出文件的最大长度。 由于不连续分配，不存在外部碎片问题，所以不会造成几块连续区域的浪费。 有利于文件插入和删除 缺点： 存取速度慢，不适于随机存取，只适合顺序存取， 每块设置链接字破坏物理信息的完整性 链接指针占用一定的空间,OSLec18,26,链接结构的变形,文件分配表(FAT) 将盘块中的链接字按盘块号的顺序集中起来，构成盘文件映射表/文件分配表FAT 。,OSLec18,27,FAT的实例,在MS-DOS和Windows系统中，文件的物理结构使用的是FAT（File Allocation Table）结构。 将磁盘空间划分为块，每块大小为扇区的整

11、数倍。在FAT文件系统中块称为簇 一个磁盘分区能分为多少簇则FAT就有多少表项,OSLec18,28,思考,什么叫FAT16、FAT32？ 在FAT16中一簇最大64个扇区，为什FAT16能管理的磁盘分区为2G？ FAT32同FAT16相比有什么优点？ 对于FAT16文件系统，若一个磁盘分区的大小为512M，问一个簇最少要为多少个扇区？ 簇是大点好，还是小点好？,OSLec18,29,索引文件,为文件建立一张索引表，每个记录设置一个表项。索引表按记录关键字排序，本身是顺序文件。在对索引文件进行检索的时候，首先按照顺序文件检索方法查找索引表，从中找到相关表项，然后直接访问该记录。 当文件较大的时

12、候，索引表也会较大。如果索引表的大小超过一个物理块，索引表的存取就成为新问题。一种较好的办法是采取间接索引，甚至多重索引。 索引文件既可以满足文件动态增长的要求，也可以较方便和迅速的实现随机存取。既适用顺序存取也适合随机存取。缺点是索引文件本身增加了存储开销，而且多重索引的访问时间开销也较大。,OSLec18,30,索引文件：,OSLec18,31,文件名 索引表地址,文件目录,Jeep 19,9 16 1 10 25 -1 -1 -1,19,OSLec18,32,二级索引文件,OSLec18,33,索引结构的特点,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

13、足了文件动态增长、插入删除的要求 能充分利用外存空间 缺点： 索引表本身带来了系统开销，如：内外存空间，存取时间,OSLec18,34,直接文件和哈希文件,对于直接文件，则可根据给定的记录键值，直接获得指定记录的物理地址。换言之，记录键值本身就决定了记录的物理地址。这种由记录键值到记录物理地址的转换被称为键值转换(Key to address transformation)。组织直接文件的关键， 在于用什么方法进行从记录值到物理地址的转换。 记录大小相同。由主文件和溢出文件组成。记录位置由哈希函数确定。检索时给出记录编号，通过哈希函数计算出该记录在文件中的相对位置。访问速度快，但在主文件中有空

14、闲空间。,OSLec18,35,Hash文件的逻辑结构,OSLec18,36,物理结构比较,从查寻时间来看 连续文件最快, 索引文件和文件映照次之, 串联文件最慢 从空间开销来看 连续文件不需要额外的空间开销; 串联文件的每个物理块中需要存放链接字; 文件映照需存放文件映照表; 索引文件为每个文件建立一张索引表。 从适宜设备和存取方法来看 连续文件可用于磁带和磁盘; 串联文件、 索引文件只适用于磁盘; 串联文件只适合顺序存取; 而索引文件和磁盘上的连续文件, 除了能进行顺序存取外, 也能实现随机存取。 从文件增删来看 连续文件不能动态增长,其他三种都可较容易实现文件的动态改变。,OSLec18,37,5.2.3 文件的存取方法,存取方法：读写文件存储器上的一个物理块的方法，通常有3种方法。 顺序存取法：严格按文件信息单位排列的顺序依次存取。 直接存取法：也称随即存取法，每次存取操作时必须先确定存取的位置。对流式文件或定长记录的文件比较容易确定存取位置；对不定长的记录式文件比较麻烦。 按键存取法：文件的组织按照逻辑记录中的某个数据项的内容来存放，根据记录内容进行存取。,OSLec18,38,存储设备、文件物理结构和存取方法的关系 ：,