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1、操作系统 Operating Systems,操作系统课程组 南京邮电大学,教材：操作系统教程，人民邮电出版社 ，2009年出版,第7章 文件系统,7.1 文件系统的基本概念 7.2 文件的逻辑结构与存取方法 7.3 文件的物理结构与存储设备 7.4 文件存储空间的管理 7.5 文 件 目 录 7.6 文 件 安 全 7.7 Linux文件系统,7.1 文件系统的基本概念,计算机需要文件系统,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 可以使用、共享信息 解决方法： 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,7.1.1 文
2、件、记录和数据项,基于文件系统的概念可将数据的组成分为数据项、记录和文件三级。,1数据项 数据项是描述一个实体某种属性的字符集。 数据项是数据组织中可以命名的最小单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。,7.1.1 文件、记录和数据项,2记录 记录是一组相关数据项的集合，用于描述一个实体在某个方面的属性。一个记录应包含哪些数据项，与其所描述的实体有关。 在诸多记录中，为了能惟一标识一个记录，必须在一个记录的各个数据项中确定出一个或多个数据项，称之为关键字。换而言之，关键字能惟一标识一个记录的数据项。,7.1.1 文件、记录和数据项,3文件,一组带标识的在逻辑上有完整意义的信息项的序列集合，这个
3、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 文件是通过操作系统来管理 文件不但反映了用户概念中的逻辑结构，而且和存放它的辅助存储器的存储结构紧密相关。 文件组成： 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；,7.1.1 文件、记录和数据项,除了文件名外，文件还具有以下一些其他的属性。 文件类型。可以从不同的角度来规定文件的类型，如源文件、目标文件和可执行文件等。 文件长度。指文件的当前长度，也可能是最大允许长度。文件长度的单位可以是字节、字或块。 文件的物理位置。它通常是用于指示文件在哪
4、一个设备上，以及在该设备的哪个位置。 文件的保护属性。如可读、可写、可执行、可更新、可删除等，可改变保护、以及档案属性。 文件的管理属性：如文件创建时间、最后存取时间、最后修改时间等。,3文件,7.1.1 文件、记录和数据项,7.1.2 文件类型, 按文件用途分类。根据用途的不同，可以将文件分为系统文件、库文件和用户文件。 按存取属性分类。根据文件系统提供的文件保护级别，可把文件分成只读文件、读写文件和只执行文件。 按信息流向分类。按信息流向可分成输入文件、输出文件和输入输出文件。 按存放时限分类。按存放时限可分成临时文件、永久文件、档案文件。,7.1.3 文件系统模型,定义： 是操作系统中统
5、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 两种观点 （1）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 （2）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)等等,7.1.3 文件系统模型,文件系统模型可以划分为3个层次:,1文件及其属性 文件管理系统的对象主要包括文件、目录和磁盘空间。文件是文件管理的直接对象。 2对对象操纵和管理的软件集合 这部分是文件系统的核心部分，文件系统的功能大多是在这一层实现。 3文件系统的接口
6、命令接口。命令接口是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。 程序接口。程序接口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。 图形接口。,7.1.3 文件系统模型,文件系统模型可以划分为3个层次:,第7章 文件系统,7.1 文件系统的基本概念 7.2 文件的逻辑结构与存取方法 7.3 文件的物理结构与存储设备 7.4 文件存储空间的管理 7.5 文 件 目 录 7.6 文 件 安 全 7.7 Linux文件系统,7.2 文件的逻辑结构与存取方法,7.2.1 文件的逻辑结构 7.2.2 文件的存取方法,7.2.1 文件的逻辑结构,由
7、相关数据项构成的记录称为逻辑记录，它是用户可见并直接处理的数据结构，它独立于文件的物理特性。 文件的物理结构会影响到数据的逻辑结构和采用的存取方法。 由逻辑记录构成的文件称为逻辑文件。,逻辑文件从结构上分可分为两类：无结构的流式文件和有结构的记录式文件。 1流式文件 流式文件指文件内的数据是依次存放的一串信息集合。流式文件可以看成是无结构的文件，也可以看成只有一个记录的记录式文件。,7.2.1 文件的逻辑结构,逻辑文件从结构上分可分为两类：无结构的流式文件和有结构的记录式文件。 2记录式文件 记录式文件由若干个记录组成。记录式文件在信息管理领域显得十分方便。文件中的记录可以是顺序的，也可能是不
8、存在相互关系。记录式文件中的记录长度可以是相等的，也可以是不等的。,7.2.1 文件的逻辑结构,7.2.2 文件的存取方法,从用户的角度来看，用户关心的是数据的逻辑结构，逻辑结构独立于物理环境。 从系统的角度来看，数据被文件系统按照某种规则排列和存放到物理存储介质上。 常见的存取方法有顺序存取、直接存取和索引存取。,1顺序存取 顺序存取是指在存取文件时严格按照记录的排列顺序依次存取。 文件中的记录按照某种顺序存放，给每个记录编上0，1，2，n-1，称为记录号。在读取文件时，必须按照从小到大的顺序进行。 每次打开文件时，文件记录读指针指向记录号为0的记录，每次读写后，文件记录写指针总指向下一个记
9、录的存放位置。 顺序存取主要用于磁带文件，但也适用于磁盘上的顺序文件。早期的操作系统只有顺序存取。,7.2.2 文件的存取方法,2直接存取 直接存取又称为存随机取，用户可以按照任意次序直接存取某个记录。 用户可以根据记录的编号存取文件中的任一记录，或者在存取命令中指定文件的读写位置来存取文件。 很多应用场合要求快速地以任意次序直接读写某个记录。例如，航空订票系统，把特定航班的所有信息用航班号作标识，存放在某物理块中，用户预订某航班时，需要直接将该航班的信息取出。直接存取方法通常用于磁盘文件。,7.2.2 文件的存取方法,3索引存取 索引存取方法中，文件的记录是按它的记录键来编址，用户提供给操作
10、系统记录键后就可查找到所需记录。 通常记录按记录键的某种顺序存放，例如，按代表健的字母先后次序来排序。 对于这种文件，除可采用按键存取外，也可以采用顺序存取或直接存取的方法。信息块的地址都可以通过查找记录键而换算出。实际的系统中，大都采用多级索引，以加速记录查找过程。,7.2.2 文件的存取方法,第7章 文件系统,7.1 文件系统的基本概念 7.2 文件的逻辑结构与存取方法 7.3 文件的物理结构与存储设备 7.4 文件存储空间的管理 7.5 文 件 目 录 7.6 文 件 安 全 7.7 Linux文件系统,7.3 文件的物理结构与存储设备,7.3.1 常见的物理结构 7.3.2 文件的存储
11、设备,7.3.1 常见的物理结构,1连续文件 连续文件是一种最简单的物理文件结构。它把逻辑文件中的信息顺序地存储到连续的物理盘块中，这样形成的文件称为顺序文件。,7.3.1 常见的物理结构,1连续文件,文件名 始址 块数,count 0 2 tr 14 3 mail 19 6 list 28 4 f 6 2,文件目录,count,f,tr,mail,list,7.3.1 常见的物理结构,连续文件的主要优点: 顺序存取容易。访问一个连续文件，只要在目录中找到该文件的第一个物理块号，然后顺序读取下去即可。 顺序存取速度快。连续文件所占用的物理块是同一磁道，或者是相邻磁道。因此，当要获得一批相邻的记
12、录时，其存取速度在所有的文件结构中是最快的。,7.3.1 常见的物理结构,连续文件的主要缺点: 要求定量的连续存储空间。连续文件的增加和删除时，为了保证连续性，必须移动大量信息。连续文件结构不宜用来存放用户文件、数据库文件等经常被修改的文件。存放连续文件必须要有连续的空间，容易产生不能使用的小碎片区域。 必须事先估计文件的长度。要将一个文件装入一个连续的存储区域中，必须事先估计文件的长度，然后根据其大小找到一个足够大的存储区中。因为有的文件是动态增长的，所以这种文件事先估计是很难的。,7.3.1 常见的物理结构,2串联文件 串联文件是在将逻辑文件存储到外存上时，不要求为整个文件分配连续的空间，
13、而是可以装入到离散的多个盘块中，然后再用链接指针将这些离散的盘块链接成一个队列，这样形成的物理文件称为链接文件。,7.3.1 常见的物理结构,2串联文件,文件名 始址 末址,文件目录,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,1,10,16,-1,25,7.3.1 常见的物理结构,串联文件的优点是： 串联文件不需要连续的存储空间，消除了外零头问题，从而提高了存储空间利用率。 增加和删除记录时只需要修改指针即可，而不必移动大量的信息。 文件动态增长时，可以动态的分配空
14、间，而不必事先估计文件的最大长度。 串联文件的缺点是 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,7.3.1 常见的物理结构,3索引文件 索引文件的结构要求系统为每个文件建立一张索引表，表中每一栏目指出文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号。索引表的物理地址则由文件说明信息项给出。,7.3.1 常见的物理结构,3索引文件,文件名 索引表地址,9 16 1 10 25 -1 -1 -1,19,当一个文件含有很多个记录时，索引表会很长，既占有大量存储空间，又影响到检索速度。 在此情况下引入了多级索引。这是一种缩短索引表长度的方法。 该方
15、法是再为索引表本身建立索引表，从而形成两级索引。如果二级索引表仍然很长，还可再建立三级索引、四级索引表等。但随着索引级数的增多，访问盘的次数会增加。,7.3.1 常见的物理结构,3索引文件,7.3.1 常见的物理结构,3索引文件 Linux操作系统采用的是混合索引方式 。 每个文件的索引表规定为13个索引项，每项4个字节，登记一个存放文件信息的物理块号。前面10项存放文件信息的物理块号，叫直接寻址。 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1K个存放文件信息的物理块的块号。这种方式是一次间接寻址，可以表示4MB（4KB1K）的文件。 每个大型文件还可以利用第12和13项
16、作二次和三次间接寻址，二次间接寻址可以表示4GB的文件，三次间接寻址可以表示4TB的文件。,7.3.1 常见的物理结构,3索引文件 Linux操作系统采用的是混合索引方式 。,7.3.1 常见的物理结构,索引文件特点： 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：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：内外存空间，存取时间,7.3.2 文件的存储设备,1顺序存储设备 磁带是一种最典型的顺序存取设备。顺序存取设备只有在前面的物理块存取访问后，才能存取后续的物理块的内容。通常在两个相邻的物理块之间设计有一个间隙，磁
