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1、第2章 文件系统管理,山东交通学院 沈祥玖 高等教育出版社,第2章 文件系统管理,中央处理机、内存储器以各种输入输出设备是计算机系统的硬件资源。然而，一个现代计算机系统还应具备另一类重要资源，即所谓软件资源。它主要包括各种系统程序（如汇编程序、编辑程序、各种语言的编译程序或解释程序、装配程序等）、各种标准子程序以及大量的应用程序等。 这些软件资源都是一些具有一定逻辑意义的相关联的信息（程序和数据）的集合。从管理的角度把它们看成是一一个个文件，并把它们保存在某种存储介质上。对系统中软件资源的管理形成了操作系统的文件系统。,操作系统本身也是一个重要的软件资源，而且往往是一个庞大的资源，占用几十KB
2、甚至几千KB的存储量。因此，它们不能全部常驻内存，必须留出较大的内存空间给用户作业。所以相当大的一部分操作系统程序存放在能直接存取的磁盘存储器上，需要用到某部分功能时，才把相应的一种程序装入内存。为便于管理和装入，操作系统的这些程序也是以文件形式存储的。由此可见，操作系统本身也要求具备文件管理的功能。 文件系统是现代操作系统中不可缺少的组成部分。本章将介绍文件、文件系统、文件的存储、检索、使用、共享和保护等问题。 2.1.1 文件和文件系统 2.1.2 文件的分类,2.1.1 文件和文件系统,文件是一个具有符号名的一组相关联元素的有序集合。通俗地说，文件表示程序和数据。文件可以是无格式的或具有
3、严格格式的。一个文件通常由若干个称为逻辑记录的较小单位组成。记录是一个有意义的信息集合，它是对文件进行存取操作的基本单位。一个文件的诸记录可以是等长的也可以是不等长的。最简章的情况下，记录就是1 个字符或是1个字节的整数。总之，文件元素是一个可编址的最小信息单位，其意义由用户或文件的创建者定义。文件必须有文件名。例如，一个程序给予命名后就成为一个文件。它经过编译、装配后得到的目标程序，被赋予一新的符号名又成为一个新的文件。文件应保存在一种存储介质上，例如卡片、纸带、磁带、磁鼓、磁盘、光盘，甚至内存。,为了方便用户使用软件资源，现代计算机操作系统提供了管理文件的软件机构，即文件系统。文件系统既包
4、括操作系统中用于文件管理的那一部分程序，也包括运行这些程序所需的各种数据结构。 从用户使用角度来看，文件系统主要是实现对文件的“按名存取”。当用户要求系统保存一个已命名的文件时，文件系统按照一定的格式把此文件存放到文件存储器的适当地方。用户需要时，系统根据用户提供的文件名，又能够从文件 存储器中找出所需要的文件或文件的某些信息。如果将此称为文件系统的外特性的话。那么文件系统应具有如下特点：,(1) 使用简单方便。用户不必考虑文件在文件存储器中是如何分配的也不必考虑文件存放的物理位置，用户只要知道文件名和诸如访问权限等文件特征信息，就可使用文件。存取文件的所有物理操作均由文件系统解决。 (2)
5、文件共享。为了节省文件存储空间，更为了多个用户共同完成对某一文件的操作，文件系统应提供文件共享功能。并且，文件系统对多个用户要求同时使用一个文件的情况，应提供并发控制功能，以免造成错误。,(3) 安全可靠。文件系统应提供各种安全保护措施，防止文件信息受到有意或无意的破坏。例如，有些文件可规定为“只读不写”。如有人企图修改它，文件系统通过存取控制验证后拒绝执行。另外，用户可以规定他的文件只能被他自己和几个被授权的用户使用。若事先未获准的用户要使用此文件，则文件系统将认为是非法的而对其拒绝。 从系统管理角度来看，文件系统主要是实现文件存储空间的组织、分配以及文件的存储、检索、共享、保护等管理。如果
6、将此为文件系统的内特性的话，那么文件系统应解决下列主要问题：文件的结构及有关的存取方法、文件的目录结构和目录检索、文件存储空间的管理、文件的共享、存取控制和系统的可靠性。,2.1.2 文件的分类,为了有效、方便地组织和管理文件，常按照某种观点对文件进行分类。常用的分类法有下述几种： 1 按文件性质和用途来分 (1) 系统文件有关操作系统及其他系统程序的信息所组成的文件。这类文件用户不能直接调用，只能通过操作系统调用为用户服务； (2) 库文件由标准子程序及常用的实用程序等组成的文件。这类文件允许用户调用，但不允许用户修改； (3) 用户文件由用户委托系统保存的文件。如源程序、目标程序、原始数据
7、、计算结果等组成的文件，这类文件只能由被授权者（包括文件主）进行适当的读/写或执行操作.,2.按文件的逻辑结构来分 （1）记录式有结构文件； （2）无结构文件。 3.按文件的物理结构来分 （1）连续文件； （2）串联文件； （3）索引文件； 4.按文件存取方式来分 （1）顺序存取的文件； （2）随机存取的文件；,（3）直接存取的文件； （4）按关键字存取的文件； 5.按文件的保护级别来分 （1）只读文件； （2）读写文件； （3）可执行文件； （4）不保护文件。 以上从文件的属性、逻辑结构、物理结构、存取方式、操作保护等不同角度来看待一个文件，反映出文件的特征。还有其他的文件分类法，如按文件保
8、护时间长短，分为临时文件、永久文件和档案文件；按文件信息的流向，分为输入文件、输出文件和输入输出文件等等。不再一一列举。,2.2 文件的结构及存取方法,文件结构是指文件的组织形式 研究文件结构有两种观点： 一种是从用户（或使用）的观点来进行研究。它研究的是用户思维中的抽象文件，也叫逻辑文件。其目的是为用户提供一种结构清晰、使用简便的逻辑组织。用户按此存储、检索和加工处理有关文件信息。 另一种是从系统（或实现）的观点来进行研究。它研究的是存储在物理设备介质上实际文件，即物理文件。其目的是选择一些性能良好，设备利用率高的物理文件结构。系统按此和外部设备打交道，控制信息的传输。 文件系统的主要任务之
9、一，就是在逻辑文件结构与相应的物理文件结构之间建立映像关系，实现二者之间的转换。这样，物理的文件结构对用户将是透明的，方便用户对文件的存取。文件存取方法是由文件的性质和用户使用文件的情况来决定的，不仅要考虑到文件的逻辑结构，而且要考虑到文件的物理结构。,2.2.1 文件的逻辑结构 2.2.2 文件的物理结构 2.2.3 文件的存取方法 2.2.4 文件存储空间管理,2.2.1 文件的逻辑结构,由前所述,所谓文件的逻辑结构就是指呈现在用户面前的文件结构。文件的逻辑结构通常分为两种：记录式有结构文件和无结构的流式文件。记录式文件是记录的集合，组成它的记录按次序编号为record0,record1,
10、recordn。这种记录称为逻辑记录，记录可以是等长的，也可以是变长的。流式文件是相关信息的有序集合，或者说是有一定意义的字符流。 记录式文件在某些系统中，特别是在数据库管理系统中使用很方便。但是对于进行文本处理的系统，如源程序文件、中间代码文本、编辑程序，记,录结构并不是必须的，因为这些文件本来就是顺序的字符流或字节序列，没有必要把它们硬化分为记录。 UNIX系统采用的是流式文件结构。顺便指出，一些慢速字符设备也可被看作是一个“文件”。这是因为，在这些设备上传输的信息是一组顺序出现的字符序列。严格地讲，是把这些字符设备传输的信息看成是一个流式文件。正因为如此，按照文件组织和处理方式，UNIX
11、将文件分成普通文件，目录文件和特殊文件。其中，特殊文件即指字符设备。,2.2.2 文件的物理结构,文件的物理结构是指文件在外存储器上如何存放以及与文件逻辑结构的关系。它对文件的存取方法有较大的影响。 为了有效地利用外存储器的存储空间和便于对文件信息进行处理，通常把文件的存储空间划分成若干个物理块，并以物理块作为分配和传送信息的单位。块长一般是固定的，例如8英寸软盘常以128为一块，硬磁盘或磁带常以512或1024为一块。在记录式文件中，允许一块中存放一个或几个记录，也可以一个记录占用几块。与逻辑文件、文件的逻辑记录相对应，常把外存储器上的文件称为物理文件，把物理块中的信息称为物理记录。,磁盘结
12、构,下面介绍几种常用的文件物理结构。 （1）连续文件 这是一种最简单的物理文件结构，一个在逻辑上是连续的文件信息被存放到连续的物理块中。例如，文件A，其长度为2 KB，若物理块的长度为512，则需占4 块，它们分别被分配到0，1，2，3 四个相邻的物理中。如图2.5所示。,文件A说明,图2.1 连续文件结构,连续文件的优点是简单，一旦知道文件存储的起始块号和文件长度，就能很快进行存取，速度较快。 缺点是文件的长度不能动态增加，因为文件的末尾之后可能已分配给别的文件了。另外，文件的最后一个物理块不一定正好用满，出现了不能利用的存储空间“零头”。连续文件物理结构常用于长度已固定的系统文件。 （2）
13、串联文 串联文件的物理块是不连续的，也不必是顺序排列的，在每个物理块的尾部设置了一个指针或称连接字，指向下一个物理块。它的第1 个物理块由文件说明项中指出，最末一个物理块的连接指针为1，表示文件存储结束。这种物理结构的文件也常称为连接文件。如图2.2所示。,文件A说明,图2.2 串联文件结构,串联结构的优点是文件可以动态增长，不要求连续分配，调整连接指针很容易插入或删除一个记录。 缺点是一般只适宜顺序存取而不适宜随机存取，为了得到后面块信息，必须从头开始读取前面所有的块，才得到后面的块的物理地址。 (3)索引文件 索引文件结构是实现不连续分配的另一种方案。这种结构要求为每个文件建立一张索引表，
14、每一表目指出文件记录所在的物理块号，索引表位置则由文件说明项指出。图2.3给出了索引文件结构的示意图。,10,15,37,25,图2.3 索引文件结构,2.2.3 文件的存取方法,通常,根据存取的顺序关系，将文件存取方法分成两类：顺序存取和随机存取。 在记录式文件中，顺序存取是严格按记录的逻辑排列次序存取每个记录。如果当前取记录Ri，则下次要读取记录自动确定为Ri+1。可以认为,在文件存取过程中总有一个位置指针指向欲读取的记录，每读取一个记录之后，该指针自动增加一个记录长度指向下一个记录。随机存取时必须方法允许存取文件中的任一个记录，而不管上次存取了哪一各记录。因此，随机存取是必须给出记录号，
15、或者先移动文件读写指针指向欲存取的记录。,在无结构的流式文件中，顺序存取和随机存取都有类似上述的情况，只不过每次存取之前必须指明要读/写的字符（或字节）数目。顺序存取时，每次读写完毕，位置指针自动地加上读/写信息的长度，然后由此指针开始读/写下一段文件信息。 除了这两种最常用的存取方法之外，还有一些其他的存取方法。例如，在数据系统中，可根据记录中的某个记录项的内容（通常称为键或关键字）来编址，从而通过一个或多个键，而不是根据记录的编号或地址来存取一个记录。这种方法称为“按键存取”。 文件存取方法密切地依赖于文件的物理结构和文件存储设备的特性。目前，文件存储设备主要是磁带和磁盘。,关。但实际是，
16、磁盘读写之前，磁头要移到指定磁道，指定扇区要旋转到磁头之下，这些时间或多少都与读写之前的磁头的当前位置有关。只是相对于磁带来说，磁盘上找到所需记录位置的时间是很短的，大体上也是相同的。软磁盘价格便宜，便于装卸和携带，主要作为微型机的文件存储器，也可作为脱机存档设备。硬磁盘容量大、速度快，是大、中、小型机和高档微型机的主要文件存储器。 文件的物理结构与设备特性、存取方法之间的关系概括于表2.1中,表2.1 存储设备、文件结构和存取方法之间的关系,2.2.4 文件存储空间管理,文件系统的任务之一，是要掌握文件存储器的空闲空间情况，以便及时分配给申请者。这如同旅店经理及时掌握旅店空闲的情况，以便随时接待旅客，高效地周转客房。空闲空间的管理，一般有如下三种办法。 （1）空闲块映象图 将文件存储器上的所有空闲块，按索引文件的方式组织，将此索引表称为空闲块登记表或称空闲映象图。当为文件分配存储空间时，就从索引表中照出空闲的块号予以分配，并将块号从索引表中删除掉。当删除文件释放文件存储空间时，每会收一块，就在索引表有关一栏中填入新的空闲号。这种管理
