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1、第7章,文 件 管 理,7.1 概 述 7.2 文件结构、存储设备和存取方法 7.3 文件存储空间的管理 7.4 文件目录管理 7.5 文件的使用 7.6 文件系统的层次模型 7.7 Linux文件系统,7.1 概 述,7.1.1 文件和文件系统 7.1.2 文件分类 7.1.3 文件系统的功能,7.2 文件结构、存储设备和存取 方 法,7.2.1 文件的逻辑结构 文件的逻辑结构可分为两种形式：有结构的记录式文件和无结构的流式文件。,1记录式文件 由一组相关记录组成。文件中的各记录可按顺序编号为记录1、记录2、记录n。,文件中的记录又分为等长记录和变长记录。等长记录指文件中所有记录的长度相等，
2、变长记录指文件中的各记录长度不相等。,2流式文件 字符序列的集合。可以将流式文件看成记录式文件的特例。在UNIX系统中，所有文件都被看成流式文件，系统不对文件进行格式处理。,7.2.2 文件的物理结构 文件的物理结构指一个文件在外存上的存储组织形式，与存储介质的存储特性有关。,文件的存储设备通常划分为大小相等的物理块，物理块是分配及传输信息的基本单位。物理块的大小与设备有关，但与逻辑记录的大小无关。,因此，一个物理块中可以存放若干个逻辑记录，一个逻辑记录也可以存入在若干个物理块中。,为了有效地利用外存设备和便于系统管理，一般也把文件信息划分为与物理存储块大小相等的逻辑块。,常见的文件物理结构有
3、以下几种形式。,1顺序结构 顺序结构（又称连续结构）是一种最简单的物理文件结构，该结构将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中。,以顺序结构存放的文件称为顺序文件或连续文件。,如图7.1所示，一个顺序文件C，由三个记录组成，这些记录被分配到物理块号为6、7、8的相邻物理块中，这里假定文件的逻辑记录与物理块大小相等。,图7.1 顺序结构的文件,顺序文件的主要优点是顺序存取时速度较快。当文件是定长记录文件时，还可以根据文件起始地址及记录长度进行随机访问。,由于文件存储要求连续的存储空间，因而会产生碎片，也不利于文件的动态扩充。,2链接结构 链接（又称串联）结构将文件存放在外存的若干
4、个物理块中，这些物理块不必连续，并在每一个物理块中设一个指针，指向下一个物理块的位置，使得存放同一个文件的物理块链接起来。,采用这种结构存放的文件称为链接文件或串联文件。图7.2给出了链接文件的物理结构。,图7.2 链接结构的文件,链接文件的优点是可以解决外存的碎片问题，因而提高了外存空间的利用率，同时文件的动态增长也很方便。但链接文件只能按照文件的指针链顺序访问，查找效率较低。,3索引结构 索引结构将文件存放于外存的若干个物理块中，并为每个文件建立一个索引表，索引表中的每个表目存放了文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号。,以索引结构存放的文件称为索引文件。索引结构如图7.3所示。,图7
5、.3 索引结构的文件,为了更有效地使用索引表，避免访问索引文件时两次访问外存（一次访问索引表确定文件信息所在的物理块号，再由此物理块号获得所需要的文件信息），可以在访问文件时，先将索引表调入内存中，这样文件的存取就只需一次访问外存了。,当文件很大时，文件的索引表也会很大。如果索引表的大小超过了一个物理块，可以将索引表本身作为一个文件，再为其建立一个“索引表”。,这个“索引表”作为文件索引的索引，从而构成了二级索引。,第一级索引表的表项指向第二级索引，第二级索引表的表项指向相应信息所在的物理块号。以此类推，可逐级建立索引，进而构成多级索引。,索引文件的优点是可以进行随机访问，也易于进行文件的增删
6、。但索引表的使用增加了存储空间的开销。另外，索引表的查找策略对文件系统的效率影响很大。,7.2.3 文件的存取方法 用户通过对文件的存取来完成对文件的查找、修改、删除和追加等操作。常用的存取方法有两种：顺序存取和随机存取。,1顺序存取 按照文件信息的逻辑顺序依次存取。在记录式文件中，顺序存取反映为按记录的排列顺序来存取，例如，为了存取记录Ri，必须先通过记录R1、R2、Ri-1。,在流式文件中，顺序存取反映为当前读写指针的变化，在存取完一段信息之后，读写指针自动加上这段信息的长度，以便指出下次存取时的位置。,2随机存取（又称直接存取） 根据记录的编号直接存取文件中的任意一个记录，无需存取其前面
7、的记录；或根据存取命令把读写指针移到欲读写的信息处。,7.2.4 文件的存储设备 文件的存储设备主要有磁带、磁盘和光盘等。,由于存储设备的特性可以决定文件的存取方法，本节介绍以磁带为代表的顺序存储设备和以磁盘为代表的直接存储设备的特性，以及存储设备、文件物理结构与存取方法之间的关系。,1磁带 磁带是一种典型的顺序存取设备，这种设备只有在前面的物理块被存取访问后，才能存取后续物理块的内容。,由于磁带机的启动和停止需要花费一定的时间，因此，在相邻物理块之间设计一段间隙将其隔开，如下所示：,磁 带,磁带的存取速度与信息密度（字符数/英寸）、磁带速度（英寸/秒）和块间间隙有关。,如果带速高，信息密度大
8、且所需块间隙（磁头启动和停止时间）小，则磁带存取速度高。,反之，若磁带带速低，信息密度小且所需块间隙（磁带启动和停止时间）大，则磁带存取速度低。,磁带读写时，只有在第i块被存取后，才能对第i+1块进行存取操作，因此，某个特定物理块的存取访问与物理块到磁头当前位置的距离有密切关系。,2磁盘 磁盘是典型的直接存取设备，这种设备允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块。,（1）磁盘结构 磁盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片三部分组成。在硬盘存储器中，将若干个盘片组合在一起，形成一个盘片组。,常规的硬磁盘，主要由移动臂、多个读写磁头和盘面组成，硬磁盘的结构如图7.4所示。,图7.4 活动头磁盘组织结
9、构,每个盘片有上、下两个盘面，每个盘面上有一个读写磁头，移动臂移动时带动所有磁头同时移动，读写磁头进行统一编号，编号从0开始，磁头号代表了盘面号，磁头数量由制造厂商决定。,每个盘面上划分为多个同心圆，称之为磁道，磁道的编号从0开始，最外边的磁道为0号磁道，次外边的磁道为1号磁道，依此类推。,各盘面上的磁道在空间上组成了一个个圆柱面，无论移动臂移动到哪个位置上，所有的读写磁头都在同一个柱面上，故把盘面上磁道的编号作为柱面号，柱面数量由制造厂商决定。,每个磁道又被划分为多个容量大小都等于512B的扇区，每个磁道中的扇区都从1开始编号，每个磁道的扇区数量由制造厂商决定。,可以看出，磁盘存储空间的位置
10、要由三个参数决定，即，柱面号，磁头号，扇区号。,在读写磁盘前，要将相应的磁盘块号转换成磁盘的柱面号、磁头号和扇区号后才能真正指示出磁头要读写的物理位置，控制磁头在该位置上进行读写。,例如，已知要读取的信息所在的磁盘块号为x=1200，磁盘总柱面数n=200，磁头总数m=20，每个磁道的扇区总数k=10，则可按照如下计算得到读取信息的物理位置：,柱面号(a) =（x1）DIV（km）=（12001）DIV（1020）= 5,磁头号(b)=（x1）MOD（km）DIV k=（12001）MOD（1020）DIV 10=19,扇区号(c)=（x1）MOD（km）MOD k+1=（12001）MOD（
11、1020）MOD 10+1= 10,磁盘块号x=1200的块在磁盘的（5，19，10）处，5柱面，19磁头，10扇区处。,反之，可以这样验算：若已知柱面号、磁头号、扇区号分别为a、b、c，则其对应的磁盘块号x为，x = kma + kb + c。,对于上例：x =10205+1019+10= 1200。,根据磁头的工作方式，磁盘存储器可以分为活动头磁盘和固定头磁盘。,活动头磁盘的每个盘面上都配有一个磁头，所有磁头统一编号，且都安装在同一个传动臂上，在访问盘面上的磁道时，传动臂在步进电机的控制下从外向内或从内向外移动，导致所有磁头同时移动，这称为寻道。,活动头磁盘只能进行串行读/写，导致I/O速
12、度较慢，但是由于结构简单，仍广泛应用于中、小、微型磁盘设备中。微型机上配置的磁盘和软盘基本上都采用这种方式。,固定头磁盘在每个盘面的每条磁道上都有一个读/写磁头，所有的磁头被封装在一个钢性磁臂中，通过这些磁头可以访问所有的磁道，可以进行并行读/写操作，能有效地提高磁盘的I/O速度。,这种磁盘机构主要用于大容量的磁盘中。,（2）磁盘读/写 对于移动臂组成的磁盘（活动头磁盘），执行I/O操作时，必须将要访问的磁盘块号转换成可以确定信息的具体位置，即柱面号、磁头号和扇区号。,在向磁盘传送信息时，首先把移动臂移到指定的柱面，再找到指定的磁头，等待指定的扇区旋转到磁头位置下时，才让磁头进行读/写操作。,
13、以上过程的完成需要花费三部分的时间，如图7.5所示。,图7.5 访问磁盘操作的时间, 寻道时间：在移动臂带动下，磁头移到指定柱面所需要的时间。, 延迟时间：存储信息的扇区旋转到磁头位置时所需要的时间。, 传送时间：把扇区中的信息读到内存或将内存中的信息写入扇区中所需要的时间。,在这三部分时间中，寻道时间占的比例最大，传送时间所占的比例相当小。,在访问时间中，寻道时间和旋转延迟时间占据了访问时间的大部分，基本上与所读/写数据的多少无关。,3磁盘驱动调度算法 磁盘是共享设备，可能同时存在多个进程要求访问磁盘，但是在某一时刻只允许一个进程访问并启动磁盘进行I/O工作，其余要访问的进程必须等待。,为了
14、解决安排进程访问的顺序、增加单位时间内访问者完成I/O的吞吐量及提高系统资源的利用率等问题，系统采用一定的调度算法决定各个访问磁盘的进程请求的执行次序，称为磁盘驱动调度算法。,驱动调度分为移臂调度和旋转调度两种，移臂调度是确定所访问磁盘中的柱面，旋转调度确定所访问的扇区。先进行移臂调度，再进行旋转调度。,（1）移臂调度算法 假定对磁盘的请求序列如表7.1所示。设磁头当前处在第15柱面上，移动方向是柱面号由小到大。,表7.1 磁盘读/写请求, 先来先服务调度算法（FCFS） 按进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。,该算法只考虑请求访问者请求时间的先后次序，先提出申请者先访问磁盘，不考虑各个访问者
15、需要访问的信息在磁盘中的物理位置。,按照上表数据，访问的柱面顺序为 1520916241329,移动的总距离以跨越柱面总数计算：5+11+7+8+11+16=58（柱面）,该算法容易实现，且每个请求都不会出现长时间的等待，但整体的定位时间长，效率比较低。, 最短寻道时间优先调度算法（SSTF） 选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求作为下一次服务对象。,该算法总是在所有的磁盘请求中选择离当前磁头所在柱面位置最近的那个柱面访问磁盘。,按照表7.1中的数据，SSTF算法的执行顺序为 1516139202429 移动总距离：1+3+4+11+4+5=28（柱面）,该算法的优点是定位时间比较短，效率高，
16、但可能会使某些请求有长时间的等待，甚至当有很多新请求不断提出时，某个距离较远的请求会一直得不到响应。, 扫描调度算法（SCAN） 在磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求，作为下一次服务的对象。由于磁头移动的规律颇似电梯的运行，又称为电梯调度算法。,该算法是上述两种算法的折衷。根据当前磁头位置和移动方向，选择该方向上的所有请求中离磁头位置最近的那个柱面访问。,如果移动方向上已无请求，则改变磁头的移动方向，进行反向扫描。,按照表7.1中的数据，SCAN算法其执行顺序为 1516202429139 移动总距离：1+4+4+5+16+4=34（柱面）,该算法的效率比FCFS算法高，又不会使某个请求有长时间的等待，是一种比较合理的调度算法。,
