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1、操作系统原理与实践,主编 柯敏毅 李浩 中国水利水电出版社,第6章 文件管理,6.1 文件与文件系统 6.2 文件的逻辑结构 6.3 文件的物理结构 6.4 文件目录 6.5 文件和目录的操作 6.6 文件系统的实现 6.7 文件的共享与保护 6.8 文件的完整性 6.9 外存空间的管理 6.10 磁盘组织与管理,开 始,本章学习目标,文件、文件控制块、文件系统、文件目录、目录项、索引节点、文件共享等基本概念及文件的分类 文件的两种逻辑结构及两种存取方法 文件的三种物理结构：连续结构、链接结构及索引结构 四种目录结构：单级、两级、多级和非循环图形目录结构 文件的共享方法和语义及文件保护 外存空
2、间的管理方法 磁盘的组织和管理,返回本章首页,6.1 文件与文件系统,6.1.1 文件与文件系统的概念 6.1.2 文件的分类、属性及文件系统的功能,返回本章首页,6.1.1 文件与文件系统的概念,1文件的定义 文件是具有标识符（文件名）的一组相关信息的集合。标识符是用来标识文件的。不同的系统对标识符的规定有所不同。文件的确切定义有两种说法： （1）文件是具有标识符的相关字符流的集合。（2）文件是具有标识符的相关记录的集合。,下一页,2文件系统的定义 文件系统是操作系统中负责存取和管理文件信息的机构。它由管理文件所需的数据结构（如文件控制块，存储分配表等）和相应的管理软件以及访问文件的一组操作
3、组成。,返回本节,6.1.2 文件的分类、属性及文件系统的功能,1文件的分类 2文件的属性 3文件系统的功能,下一页,1文件的分类 按文件的用途分类可分为以下三类。 （1）系统文件。 （2）用户文件 （3）库文件。 按文件中的数据形式分类 （1）源文件。 （2）目标文件。 （3）可执行文件。,下一页,l按操作保护分类 （1）只读文件。 （2）读写文件。 （3）执行文件,按文件的性质分类 （1）普通文件。 （2）目录文件。 （3）特殊文件。,下一页,2文件的属性,（1）文件类型。 （2）文件长度。 （3）文件的位置。 （4）文件的存取控制。 （5）文件的建立时间。,下一页,3文件系统的功能 （1
4、）用户可执行创建、修改、删除读写文件的命令。 （2）用户能以合适的方式构造他的文件。 （3）用户能在系统的控制下，共享其他用户的文件。 （4）允许用户用符号名访问文件。 （5）系统应有转存和恢复文件的能力，以防止意外事故的发生。 （6）系统应提供可靠保护及保密措施。,返回本节,6.2 文件的逻辑结构,6.2.1 逻辑结构 6.2.2 存取方法,返回本章首页,6.2.1 逻辑结构,1有结构的文件 有结构的文件是指由若干个相关的记录构成的文件，又称记录式文件。 2无结构文件 无结构文件又称流式文件，组成流式文件的基本信息单位是字节或字，其长度是文件中所含字节的数目，如大量的源程序，库函数等采用的就
5、是流式结构。,返回本节,6.2.2 存取方法,（1）顺序存取。顺序存取是最简单的方法。它严格按照文件信息单位排列的顺序依次存取，后一次存取总是在前一次存取的基础上进行，所以不必给出具体的存取位置。 （2）随机存取。随机存取又称直接存取，在存取时必须先确定进行存取时的起始位置（如记录号、字符序号等）。,返回本节,6.3 文件的物理结构,6.3.1 连续结构 6.3.2 链接结构 6.3.3 索引结构,返回本章首页,6.3.1 连续结构,图6.1 文件的连续结构,返回本节,6.3.2 链接结构,图6.2 文件的链接结构,返回本节,6.3.3 索引结构,图6.3 文件的索引结构,下一页,图6.4 文
6、件的多重索引结构,返回本节,6.4 文件目录,6.4.1 文件控制块和索引节点 6.4.2 单级目录结构 6.4.3 二级目录结构 6.4.4 多级目录结构 6.4.5 非循环图形目录结构,返回本章首页,一般来说文件目录应具有以下几个功能： 1）实现“按名存取”。用户可以只需提供文件名，就对文件进行操作。这是文件目录管理的最基本的功能，也是文件系统向用户提供的最基本的服务。 2）提高对目录的检索速度。在设计文件系统时，要合理的设计目录结构，提高目录检索速度，从而加快文件的存取速度。对于大型文件系统来说，只是一个很重要的设计目标。 3）允许文件重名。为了方便多个用户对于不同文件取相同文件名，文件
7、系统应允许不同文件使用相同名称。可通过不同工作目录解决。 4）允许文件共享。在多用户系统中，应允许多个用户共享一个文件，这样可以节省存储空间，也可方便用户共享资源。,6.4.1 文件控制块和索引节点,1、文件控制块 2、索引节点,1、文件控制块,为了能对一个文件进行正确的操作，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为文件控制块（FBC，File Control Block），文件和文件控制块是一一对应的，而文件控制块的有序集合称之为文件目录。,一般情形下文件控制块包括以下信息： 1）文件名。文件的标识符。 2）用户名。标识文件的生产者-用户。 3）文件的逻辑结构。对流式文件需说明文件
8、的长度，对记录文件需说明记录是否定长、记录长度及个数等。 4）文件在辅存上的物理位置。对连续结构和链接结构的文件登记文件的起始物理块号和指向第一物理块的指针，对索引结构的文件登记文件的索引表地址。 5）文件建立修改日期及时间。登记文件建立或修改日期、时间。 6）文件的类型。指明文件的类型。 7）存取控制信息。指明用户对文件的存取权限。,2、索引节点,1）导入索引节点 2）磁盘索引节点 3）内存索引节点,1）导入索引节点 在文件系统中，目录文件通常存放在磁盘上，当有大量文件时，文件目录将占用大量的磁盘空间（也就是大量的磁盘块）。如果要查找一个文件，首先查找目录文件。查找目录文件的过程是：首先将存
9、放目录的第一个磁盘块调入内存，然后用要查找的文件名与目录项中的文件名进行逐一比较，若没有找到指定文件，则将下一个存放目录的磁盘块调入内存查找，如此循环，直至找到指定文件或查询所有目录文件后结束。,在检索目录文件时，只用到了文件名，而其它信息并没有利用到。只有当指定文件名与目录项中的文件名相匹配的时，才需要从目录项中读取文件的物理位置等相关信息。因此在检索目录项时，并不需要把目录整个都调入内存。解决方案是，将文件名和文件描述信息分开，将文件描述信息单独形成一个称为索引节点的数据结构，简称i节点。文件目录中的每个目录项，仅由文件名和指向该文件所对应的i节点的指针构成。,2）磁盘索引节点。指存放在磁
10、盘上的索引节点。每个文件都有惟一的一个磁盘索引节点，它主要包括以下内容： 文件类型 文件主标示符 文件存取权限 文件物理地址 文件大小 文件连接计数,3）内存索引节点。是指存放在内存的索引节点。当文件被打开时，要将磁盘索引节点复制到内存索引节点中，以便以后使用。 内存索引节点包括以下内容： 索引节点编号 索引节点状态 连接指针 访问计数 逻辑设备名,返回本节,6.4.2 单级目录结构,图6.8 单级目录结构,返回本节,6.4.3 二级目录结构,图6.9 二级目录结构,返回本节,6.4.4 多级目录结构,图6.7 多级目录结构,返回本节,1 . 多级目录结构,2 . 路径名 在多级目录结构中，从
11、根目录到末端的数据文件之间只有一条唯一的路径。我们就可以用路径名惟一的表示一个文件。路径名有绝对路径名和相对路径名两种表达形式。 绝对路径名，又称为全路径名，是指从根目录到达所要查找文件的路径名。 相对路径名。在多级目录结构中，如果每次都从根目录开始检索，会耗费大量的查找时间。为解决此问题，系统引入了当前目录（又称为工作目录）。用户在一定时间内，可指定某一级的一个目录作为当前目录（或称工作目录、值班目录），而后用户想访问某一文件时，便不用给出文件的整个路径名，也不用从根目录开始查找，只需给出从当前目录到查找的文件间的路径名即可，从而减少查找路径。,6.4.5 非循环图形目录结构,多级目录结构的
12、自然推广就是非循环图目录机构，如图6.8所示。它允许一个文件或目录存在于多个父目录中，但并不构成环路。,返回本节,6.5 文件和目录的操作,1对目录的操作 （1）创建目录。 （2）删除目录。 （3）文件检索。 （4）打开和关闭目录。,返回本章首页,2对文件的操作 （1）创建文件。 （2）删除文件。 （3）打开文件 （4）读文件 （5）写文件 （6）关闭文件,3对记录的操作 （1）读操作 （2）写操作 （3）查找。 （4）修改。 （5）插入 （6）删除。,返回本节,6.6 文件系统的实现,6.6.1 文件系统层次结构 6.6.2 文件实现 6.6.3 目录实现,返回本章首页,6.6.1 文件系统
13、层次结构,文件系统本身通常由许多不同的层次构成，如图6.9所示的结构是一个分层设计的例子。系统中的每一层都利用底层的功能来创建新的功能，并为更高层服务。,图6.9分层设计的文件系统,返回本节,6.6.2 文件实现,1 . 连续分配 2 . 连接分配 3 . 索引分配 4 . i节点,1 . 连续分配,连续分配方案是最简单的磁盘空间分配策略，该方法要求为文件分配连续的磁盘区域。,连续分配方案的优点是：查找速度比其他方案快，目录中关于文件物理存储位置的信息比较简单，只需要起始块号和文件大小。 缺点是：容易产生碎片问题，并且在文件创建时必须知道文件的大小，才能创建文件。,2 . 连接分配,1）以扇区
14、为单位的连接分配。按文件的要求分配若干个磁盘扇区，这些扇区在磁盘上可以不相连接，但属于同一文件的各扇区按文件记录的逻辑次序用连接指针连接起来。 连接分配的优点是消除了碎片问题。但是检索逻辑上的连续的记录时，查找时间较长，同时还要维护连接指针，存储连接指针。,2）以区段为单位分配。这是一种使用很广泛的分配策略，其实质是连续分配和非连续分配的结合。本分配策略不是以扇区为单位进行分配，而是以区段为单位进行分配。区段是由若干个连续扇区组成的。 此策略的优点是：对辅存的管理效率高，减少文件访问的查找时间。,3 . 索引分配,在索引分配策略中，系统为每个文件分配一个索引块，索引块中存放索引表，索引表中的每
15、个表项对应分配给文件的一个物理块。,4 . i节点,最后一个磁盘分配策略是给每个文件赋予一张称为i-节点(索引节点)的小型表，其中列出了文件属性和各块在磁盘上的地址，实例如图6.13所示。,返回本节,6.6.3 目录实现,在哪存放文件属性就是我们必须关注的问题。一种较直接的方法是把文件属性直接存放在目录项中，而且许多系统也确实是这样实现的。图6.14中a图给出了简单示例说明。,几个实际目录实现实例,1 . CP/M目录,2 . MS-DOS目录,3 . UNIX目录,返回本节,6.7 文件的共享与保护,6.7.1 文件的共享 6.7.2 文件保护,返回本章首页,6.7.1 文件的共享,1 早期
16、的文件共享方法 绕弯路法:绕弯路法是MULTICS操作系统采用过的方法。在该方法中，系统允许每个用户获得一个“当前目录”，用户对文件的访问都是相对于“当前目录”下的，可以通过“向上走”的方式去访问其上级目录，一般用“*”表示一个目录的父目录。 连接法 :一些系统为用户指定使用目录，用户要访问指定目录开始的子树 基本文件目录表法:将所有文件目录的内容分成两部分：一部分包括文件的物理块号、结构信息、存取控制和管理信息等，并由系统赋予惟一的内部标识符来标识；另一部分由用户给出的符号名和系统赋予文件的内部标识符构成。,2 . 基于索引节点的共享方式 如图6.20所示。由于索引节点和文件是一一对应的，任何对于文件的修改在索引节点中都能准确反映出来，用户可以通过索引节点访问共享文件，那么文件的任何变化对于共享它的用户都是可见的。,3 . 共享文件语义 共享文件语义是评估文件系统对文件共享支持的一个重要标准。它描述了多个用户同时访问共享文件时的语义。这些语义特别规定了一个用户所修改的数据何时对另一用户可见。 1）UNIX语义 一个用户对已打开
