操作系统 教学课件 ppt 作者 吴小平 第6章

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1、第6章 文件管理,6.1 概述 6.2 文件数据的组织和存储 6.3 文件目录 6.4 文件存储空间管理 6.5 文件共享 6.6 文件系统的数据一致性,6.1 概述,现代计算机系统使用多种物理设备（磁盘、磁带、光盘、闪存等）存储信息，不同的物理设备具有不同的物理特性和结构，管理保存在这些设备上的信息十分繁琐且超过了一般用户的技术能力，因此只能由操作系统进行管理。操作系统为管理和存取信息配备了专门的程序模块，这些负责管理和存取信息的程序模块称为文件系统。文件系统将信息组织成文件形式进行存储、检索、更新、共享和保护，并为用户提供了一套标准的信息使用和操作方法,6.1.1 文件和文件系统,文件是一

2、组相关信息的集合，它是文件系统管理的基本对象。每个文件有一个文件名，用户通过文件名来访问和区分文件。 文件具有自己的属性，常见的文件属性包括： （1）文件名 （2）文件类型 （3）文件长度 （4）文件属主 （5）文件权限 （6）文件的物理位置 （7）文件时间,文件系统是操作系统中负责管理和存取文件的程序模块，由管理文件所需的数据结构（如文件控制块、存储分配表等）、相应的管理软件和被管理的文件组成。 文件系统功能： （1）文件存储空间管理。为文件分配和回收外存空间，提高外存的利用率和文件系统的运行速度。 （2）文件名到外存物理地址的映射。文件系统对用户透明地实现了文件名到文件物理地址的映射。实现

3、“按名存取”。 （3）文件和目录的操作管理。实现文件系统的基本功能。文件系统有相应的程序模块来完成这些功能的具体操作。 （4）实现文件的共享、保护和保密。 （5）文件和目录的用户接口。,6.1.2 文件分类,1按文件的性质和用途分类 （1）系统文件：指由操作系统内核、各种系统程序和数据构成的文件。大多数系统文件只允许用户调用，不允许用户读/写和修改。有的系统文件不直接对用户开放。 （2）库文件：指由各种标准子程序和函数构成的文件（如：各种高级语言的函数库）。库文件只允许用户调用，不允许修改。 （3）用户文件：由用户的程序和数据组成的文件。 2按文件的存取控制属性分类 （1）只读文件：只允许文件

4、主和核准用户对该文件进行读操作，不允许进行写操作。 （2）读写文件：允许文件主和核准用户对该文件进行读或写操作 （3）只执行文件：只允许核准用户调用该文件执行，不允许读和写该文件。,3按文件是否经过编译和链接分类 （1）源文件 由源程序和数据组成的文件。源文件属于字符文件，文件中的信息由ASC码或其他字符编码组成。 （2）目标文件 由源程序经过编译程序编译，但尚未经过链接程序链接的目标代码构成的文件。目标文件属于二进制文件。 （3）可执行文件 目标代码再经链接程序链接后形成的二进制文件。可执行文件允许授权用户调用执行。,4按组织文件方式分类 （1）普通文件 指人们平常所说的文件。上述几类文件都

5、属于普通文件。 （2）目录文件 指由若干文件的目录信息构成的特殊文件。一个文件目录，实际上就是一个目录文件。目录文件用于检索文件。 （3）设备文件 也称为特殊文件。有一些操作系统是通过文件方式管理I/O设备，在这种情况下，每个设备对应一个设备文件，系统对设备文件进行读/写操作，就是对相应设备进行输入/输出操作。 除了上述文件分类方案以外，根据应用需要，还存在许多其他分类方法，例如，按照信息流向可以将文件分为输入文件和输出文件，按照文件中的信息是否存在结构可以将文件分成无结构文件（流式文件）和有结构文件（记录式文件），等等。,1打开文件 指系统将指名文件的属性（包括该文件在外存上的物理位置）从外

6、存复制到内存中“打开文件表”的一个表目中，并将该表目的索引号（编号）返回给用户。以后，当用户对该文件提出访问请求时，便可以利用这个返回的索引号向系统提出操作请求，系统收到操作请求后，直接使用该索引号在“打开文件表”中找到要访问文件的属性，从而避免了对该文件进行再次检索。这种方法既节省了检索开销，又提高了对文件操作的速度。 2关闭文件 若不需要再对文件实施任何操作，可以使用“关闭文件”系统调用将文件关闭。关闭文件操作就是操作系统将被关闭文件的所有属性信息从内存“打开文件表”的相应表目中删除。,6.1.3文件操作,3创建文件 系统创建一个新文件将进行下述操作：为新文件分配外存空间；在文件系统的目录

7、中为新文件建立一个目录项；在该目录项中记录新文件的文件名、外存地址以及其他属性。 4删除文件 当某文件不再需要时，可以将它从文件系统中删除。删除文件时系统将进行下述操作：在文件目录中找到要删除文件的目录项，使之成为空白项；回收被删除文件占用的存储空间。 5读文件 用户读取文件需要提供文件名、读入的内存地址、读取的字节数等信息。在读取文件时，系统调用首先根据用户提供的文件名在文件目录中找到指定的目录项，再根据目录项中记录的信息找到文件存放的外存位置，然后从文件“读/写指针”指示处开始读取指定数量的数据到指定内存位置。,6写文件 用户写文件需要提供文件名、写数据的内存地址、写的字节数等信息。相关系

8、统调用执行时同样要查找目录，获得文件在外存上的位置，然后根据文件的读/写指针，将内存指定单元的数据写到指定的文件内。写数据过程中，若有必要的话，系统会为该文件分配新的外存物理块，以便记录写入文件中的信息。 7设置文件读/写指针位置 文件的“读/写指针”用于指示文件中当前读/写的位置。文件打开后，可以通过相关系统调用将读/写指针定位到文件的任意位置上。该系统调用首先通过打开文件时获得的文件索引号在内存的打开文件表中找到相应文件的表目，然后将该文件的读/写指针位置修改为新的读/写指针位置。,6.2 文件数据的组织和存储,文件是信息的集合。文件中信息的组织方式称为文件的组织结构，简称文件的结构。对任

9、意一个文件，存在两种形式的组织结构： （1）逻辑结构 文件的逻辑结构指文件在用户面前呈现出的组织形式。文件的逻辑结构独立于存放文件的物理介质，其组织目的是为用户提供一种结构清晰、操作方便的信息组织形式，以方便用户使用文件。 （2）物理结构 文件的物理结构指文件在外存上具体的存储方式，其存储方式与存放文件的物理介质有关。为文件设计物理结构的出发点是有利于提高外存的利用率，有利于提高文件的存取速度。,6.2.1 文件的逻辑结构,文件的逻辑结构有两大类： 无结构文件 文件中的信息不存在结构，可以将该文件看成是由字符流组成，因此无结构文件又称为流式文件。 有结构文件 有结构文件由若干个记录构成，所以又

10、称为纪录式文件。,1记录式文件 记录式文件是若干逻辑记录构成的序列。记录存在结构，它往往由若干个数据项（数据域）按照一定方式组织起来。 数据项是记录式文件中最低级别的数据组织形式，常描述了一个实际对象在某方面的属性，而一个记录则描述了一个实际对象人们关心的所有属性。一个记录应包含哪些数据项，取决于需要描述对象的哪个方面。而一个对象，由于他所处的环境不同可把他作为不同的对象。 例如，一个学生，当把他作为班上的一名学生时， 对他的描述应使用学号、姓名、年龄及所在系班，也可能还包括他所学过的课程的名称、 成绩等数据项。 但若把学生作为一个医疗对象时，对他描述的数据项则应使用诸如病历号、 姓名、 性别

11、、 出生年月、 身高、 体重、 血压及病史等项。,（1）基本数据项 这是用于描述一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位， 即原子数据，又称为数据元素或字段。它的命名往往与其属性一致。例如，用于描述一个学生的基本数据项有： 学号、 姓名、 年龄、 所在班级等。 （2）组合数据项 它是由若干个基本数据项组成的，简称组项。例如，经理便是个组项，它由正经理和副经理两个基本项组成。又如，工资也是个组项，它可由基本工资、工龄工资和奖励工资等基本项所组成,记录的结构也有逻辑结构和物理结构。 逻辑结构:指记录在用户面前呈现出的组织形式 物理结构:指记录在物理存储器中的具体存储方式。

12、 对记录逻辑结构的组织目标是方便用户访问文件中存放的信息，而对记录物理结构的组织目标是提高存储空间的利用率和减少记录的存取时间。 逻辑记录和物理记录之间不一定一一对应，有可能存在三种对应关系：一个物理记录存放一个逻辑记录，一个物理记录包含多个逻辑记录，多个物理记录存放一个逻辑记录。用户要访问一个记录指的是访问一个逻辑记录，查找该逻辑记录对应的物理记录是操作系统的职责。,根据记录式文件中记录的长度是否相等，可以将文件分为定长记录文件和变长记录文件两种。 定长记录文件： 文件所有记录的长度相同，所有逻辑记录的各数据项位于相同的位置且具有相同的顺序和长度，文件的长度用记录个数表示，检索时可以根据记录

13、号和记录长度确定记录的逻辑位置。定长记录格式处理方便、开销小，是目前常用的一种文件组织方式，被广泛用于数据库文件中。 变长记录文件： 文件中逻辑记录的长度可以不相等。产生记录长度不相等的原因可能是不同记录的数据项数目不同，也可能是数据项本身的长度不等。由于变长记录文件中各记录的长度不等，一般情况下只能从第一个记录开始进行顺序访问，因此处理起来相对复杂，处理开销比较大。,2流式文件 流式文件中的数据不按照记录方式进行组织，整个文件可以看成是字符流的序列，字符是构成文件的基本单位。流式文件一般按照字符组的长度来读/写信息。 为了输入/输出操作需要，流式文件中也可以通过插入一些特殊字符将文件划分成若

14、干个字符分组，且将这些字符分组称为记录。但这些记录仅仅是字符序列分组，中间不存在结构，只是为了使信息输入/输出方便而引入的概念。 实际应用中，许多情况下都不需要在文件中引入记录，按记录方式组织文件反而会给操作带来不便，存在操作复杂、开销增大等缺点。 相对记录式文件而言，流式文件具有管理简单、操作方便等优点。但在流式文件中检索信息则比较麻烦，效率较低。因此，对不需要进行大量检索操作的文件，如源程序文件、目标文件、可执行文件等，采用字符流文件形式比较合适。,6.2.2 文件的物理结构,呈现在用户面前的文件是逻辑文件，其组织方式是文件的逻辑结构。逻辑文件总要按照一定的方法保存在存储介质上，它在存储介

15、质上具体的存储和组织方法称为文件的物理结构，而这时的文件称为物理文件。 物理文件是相关物理块的集合，这些物理块按照一定的方式组织起来，其组织结构涉及物理块的划分、记录和索引的组织、信息搜索方式等多方面问题。 文件物理结构组织的好坏，直接影响着文件存取的速度和外存空间的利用率，设计文件的物理结构必须综合考虑存储介质特性、存储空间大小、应用目标等多方面因素。,1连续结构 连续结构又称为顺序结构，其特点是逻辑上连续的文件信息依次存放在物理上相邻接的若干物理块中。具有连续结构的文件称为连续文件（或顺序文件）。 磁带上的文件只能采用顺序结构。每个磁带文件包括文件头标、文件信息、文件尾标三部分。文件头标包

16、含文件名、文件的物理块数、物理块长度等文件属性并标志文件开始，文件尾标标志文件结束，文件信息夹在文件头标和文件尾标之间。要访问磁带上的某个文件，必须从第一个文件开始查找；即首先读出第一个文件的头标，比较文件名，若不是用户欲访问的文件，则磁头前进到下一个文件的头标处，继续进行文件名比较，直至找到用户指定的文件为止。找到指定文件后，就可以进行读/写操作。,连续文件优点： 顺序访问容易和顺序访问速度快，支持直接存取， 连续文件缺点： （1）为文件分配连续的存储空间容易出现外存碎片（即随着文件存储空间的不断动态分配和回收，在磁盘上会出现一些再也无法分配出去的小存储块）。大量外存碎片的出现会严重降低外存空间的利用率。若定期利用紧凑方法来消除外存碎片，则要花费大量的机器时间。 （2）要为文件分配连续存储空间，必须事先知道文件的长度，而在许多情况下，事先知道文件的长度很困难，如创建一个新文件时。在这种情况下，只能估算文件大小，于是可能出现下述结果：估算结果小于实际文件需要的大小，致使对文件的进一步操作无法继续下去；估算结果远大于实际文件的长度，导致严重外存