第六章 文件管理2

1、n概述概述n文件的结构和存取方式文件的结构和存取方式n文件目录文件目录n文件系统的实现文件系统的实现n文件的使用文件的使用n文件系统的可靠性和安全性文件系统的可靠性和安全性文件管理文件管理所有的计算机应用程序都要：所有的计算机应用程序都要： 存储信息，检索信息存储信息，检索信息一、概述一、概述两种观点两种观点用户观点：用户观点： 文件系统如何呈现在其面前：一个文件文件系统如何呈现在其面前：一个文件有什么组成，如何命名，如何保护文件，有什么组成，如何命名，如何保护文件，可以进行何种操作等等可以进行何种操作等等 按名存取按名存取操作系统观点：操作系统观点： 文件目录怎样实现，怎样管理存储空间，文件

2、目录怎样实现，怎样管理存储空间，文件存储位置，磁盘实际运作方式文件存储位置，磁盘实际运作方式( (与设与设备管理的接口备管理的接口) )等等等等 外存空间管理外存空间管理（1）文件）文件 一组带标识的在逻辑上有完整意义的信息一组带标识的在逻辑上有完整意义的信息项的序列，这个标识为文件名项的序列，这个标识为文件名 信息项：构成文件内容的基本单位信息项：构成文件内容的基本单位 长度：单个字节，或多个字节长度：单个字节，或多个字节 文件内容的意义：由文件的建立者和使用文件内容的意义：由文件的建立者和使用者解释者解释1. 文件与文件系统文件与文件系统（2）文件系统）文件系统 是操作系统中统一管理信息资

3、源的是操作系统中统一管理信息资源的一种软一种软件件，管理文件的存储、检索、更新，提，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，并且方供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用便用户使用.文件系统文件系统=管理文件的软件管理文件的软件+被管理的文件被管理的文件 +数据结构数据结构（3）功能）功能n统一管理文件的存储空间，实施存储空统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收间的分配与回收n实现文件的按名存取实现文件的按名存取 名字空间名字空间 映射映射 存储空间存储空间n文件系统的执行效率文件系统的执行效率 文件系统在操作系统接口中占的比例最文件系统在操作系统接口中占的比例

4、最大，用户使用操作系统的感觉在很大程大，用户使用操作系统的感觉在很大程度上取决于对文件系统的使用效果度上取决于对文件系统的使用效果2.文件的分类文件的分类1.文件的逻辑结构文件的逻辑结构 从从用户角度用户角度看文件，研究文件的组织形式看文件，研究文件的组织形式二、二、文件的结构及文件存取方式文件的结构及文件存取方式 (2) 研究文件逻辑结构的目的 为用户提供一种逻辑结构清晰、使用简便为用户提供一种逻辑结构清晰、使用简便的逻辑文件形式。的逻辑文件形式。 用户按文件的逻辑结构形式去存储、检索用户按文件的逻辑结构形式去存储、检索和加工文件中的信息。和加工文件中的信息。 一条记录一条记录一个字节一个字

5、节字节序列字节序列 记录序列记录序列 树树（1）流式文件：构成文件的基本单位是字）流式文件：构成文件的基本单位是字符，文件是有逻辑意义的、无结构的一符，文件是有逻辑意义的、无结构的一串字符的集合。串字符的集合。 文件：一个无结构字节序列文件：一个无结构字节序列 好处：提供很大的灵活性好处：提供很大的灵活性（2）记录文件：文件是由若干个记录组成，）记录文件：文件是由若干个记录组成，每个记录有一个键，可按键进行查找。每个记录有一个键，可按键进行查找。记录式文件是有结构的文件。记录式文件是有结构的文件。 文件：一个固定长度记录的序列，每条文件：一个固定长度记录的序列，每条记录有其内部结构记录有其内部

6、结构是从是从系统的角度系统的角度来看文件，从文件在物理来看文件，从文件在物理介质上的存放方式来研究文件介质上的存放方式来研究文件. .(2) 研究文件物理结构的目的 选择工作性能良好、设备利用率高的物选择工作性能良好、设备利用率高的物理文件形式。理文件形式。3.文件的物理结构文件的物理结构 1）连续结构（顺序）连续结构（顺序） 文件的信息存放在若干连续的物理块中文件的信息存放在若干连续的物理块中 优点优点: 简单简单 支持顺序存取和随机存取支持顺序存取和随机存取 顺序存取速度快顺序存取速度快 所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少0123456789101112131

7、41516171819202122232425262728293031文件名文件名 始址始址 块数块数count 0 2tr 14 3mail 19 6list 28 4f 6 2 文件目录文件目录countftrmaillist顺 序 结 构文件文件X 3 200a0 a1 a2 an用户文件目录用户文件目录200202201 缺点缺点: : n文件不能动态增长文件不能动态增长 预留空间预留空间: :浪费浪费 重新分配和移动重新分配和移动n不利于文件插入和删除不利于文件插入和删除n外部碎片问题外部碎片问题 （2）链接结构）链接结构 一个文件的信息存放在若干不连续的物理一个文件的信息存放在若干

8、不连续的物理块中，各块之间通过指针连接，前一个块中，各块之间通过指针连接，前一个物理块指向下一个物理块物理块指向下一个物理块 优点：提高了磁盘空间利用率优点：提高了磁盘空间利用率,不存在外不存在外部碎片问题部碎片问题 有利于文件插入和删除有利于文件插入和删除 有利于文件动态扩充有利于文件动态扩充文件名文件名 始址始址 末址末址jeep 9 25文件目录文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125链接结构文件文件X 3 200用户文件目录用户文件目录200300260a0 260 a1 300 a2 A 缺

9、点：存取速度慢，不适于随机存取缺点：存取速度慢，不适于随机存取 可靠性问题，如指针出错可靠性问题，如指针出错 更多的寻道次数和寻道时间更多的寻道次数和寻道时间 链接指针占用一定的空间链接指针占用一定的空间（3）索引结构）索引结构 一个文件的信息存放在若干不连续物理块一个文件的信息存放在若干不连续物理块中，系统为每个文件建立一个专用数据中，系统为每个文件建立一个专用数据结构结构-索引表，并将这些块的块号存放在索引表，并将这些块的块号存放在一个索引表中一个索引表中 一个索引表就是磁盘块地址数组一个索引表就是磁盘块地址数组,其中第其中第i个条目指向文件的第个条目指向文件的第i块块0123456789

10、10111213141516171819202122232425262728293031文件名文件名 索引表地址索引表地址文件目录文件目录Jeep 19 916 11025 -1 -1 -119索引结构索引表指针索引表指针逻辑块号逻辑块号 物理块号物理块号0 501 282 36283650用户文件目录用户文件目录物理块物理块索引表索引表优点：优点： 保持了链接结构的优点，又解决了其缺保持了链接结构的优点，又解决了其缺点：点：n即能顺序存取，又能随机存取即能顺序存取，又能随机存取n满足了文件动态增长、插入删除的要求满足了文件动态增长、插入删除的要求n能充分利用外存空间能充分利用外存空间缺点：较

11、多的寻道次数和寻道时间缺点：较多的寻道次数和寻道时间 索引表本身带来了系统开销索引表本身带来了系统开销 如：内外存空间，存取时间如：内外存空间，存取时间 存取方式存取方式n顺序存取方式顺序存取方式n随机随机( (直接直接) )存取方式存取方式4.4.文件结构、文件存取方式与文件存储介质的关系文件结构、文件存取方式与文件存储介质的关系存储介质存储介质物理结构物理结构存取方式存取方式磁带磁带连续结构连续结构顺序存取顺序存取磁盘磁盘连续连续链接链接索引索引顺序顺序顺序顺序顺序顺序随机随机 随机随机（1 1）空闲块表）空闲块表 将所有空闲块记录在一个表中，即空闲将所有空闲块记录在一个表中，即空闲块表块

12、表. .三三 外存空间管理外存空间管理（2 2）空闲块链表）空闲块链表 把所有空闲块链成一个链把所有空闲块链成一个链该方法的优点是实现简单，但工作效率低，因为每当在链上增加或移去空该方法的优点是实现简单，但工作效率低，因为每当在链上增加或移去空闲块时，都需要对空闲块链做较大的调整，因而会有较大的系统开销。闲块时，都需要对空闲块链做较大的调整，因而会有较大的系统开销。对空闲块链管理技术的改进方法是采用成组空闲块链表，即对空闲块链管理技术的改进方法是采用成组空闲块链表，即利用盘空闲块利用盘空闲块管理盘上的空闲块管理盘上的空闲块，每个磁盘块记录尽可能多的空闲块，每个磁盘块记录尽可能多的空闲块1004

13、003993013001003002992022012991004003992013019907999790179007899780179997901空闲盘块号栈S.free019899（3）位图法）位图法 用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况用情况, 每个物理块对应一位每个物理块对应一位, 分配物理分配物理块为块为1，否则为，否则为0 申请物理块时，可以在位示图中查找为申请物理块时，可以在位示图中查找为0的位，返回对应物理块号；的位，返回对应物理块号； 归还时；将对应位转置归还时；将对应位转置0 描述能力强，适合各种物理结构描述能力强，适合各种物理结构计

14、算公式：计算公式：已知字号已知字号i，位号，位号j 块号块号i字长字长j已知块号：已知块号： 字号字号 块号块号/字长字长 位号块号位号块号 mod 字长字长 已知块号，则磁盘地址：已知块号，则磁盘地址： 柱面号柱面号块号块号/（磁头数（磁头数扇区数）扇区数） 磁头号磁头号（块号（块号mod （磁头数（磁头数扇区数）扇区数）/扇区数扇区数 扇区号（块号扇区号（块号mod （磁头数（磁头数扇区数）扇区数）mod 扇区数扇区数已知磁盘地址：已知磁盘地址：块号柱面号块号柱面号（磁头数（磁头数扇区数）磁扇区数）磁头号头号扇区数扇区号扇区数扇区号 n有一磁盘共有一磁盘共20个盘面，每个盘面上个盘面，每个

15、盘面上100条磁道，每个磁道条磁道，每个磁道16个扇区，假定分配个扇区，假定分配以扇区位单位，若使用位示图管理磁盘以扇区位单位，若使用位示图管理磁盘空间，问位示图需要占多大。空间，问位示图需要占多大。n20*100*2B=4000B记录的成组和分解记录的成组和分解 n当文件的一个逻辑记录的长度小于一个当文件的一个逻辑记录的长度小于一个物理块的长度的时候，我们可以把若干物理块的长度的时候，我们可以把若干个逻辑记录合并成一组存到一个物理块个逻辑记录合并成一组存到一个物理块中，这个工作称为中，这个工作称为成组成组 .n访问某个记录的时候，需要把这个记录访问某个记录的时候，需要把这个记录从它所在的块中

16、的一组记录中分离出来从它所在的块中的一组记录中分离出来，这一工作称为分解，这一工作称为分解 n优点：记录的成组和分解可以提高存储优点：记录的成组和分解可以提高存储空间的利用率，并且可以减少存储设备空间的利用率，并且可以减少存储设备的启动次数。的启动次数。 n缺点：采用这种技术有额外的开销，即缺点：采用这种技术有额外的开销，即要设立主缓冲区，操作系统还要增加成要设立主缓冲区，操作系统还要增加成组分解的操作功能。组分解的操作功能。 第第i块块 间隙间隙 第第i+1块块n某磁带机的记录密度为某磁带机的记录密度为800字节字节/英寸，逻辑记录长英寸，逻辑记录长80 字节，磁带的块间隙为字节，磁带的块间

17、隙为0.6英寸。若有英寸。若有1000 个逻个逻辑记录需要记带，不采用成组方式时，共占带：辑记录需要记带，不采用成组方式时，共占带：n0.61000+(80/800)1000=700（英寸）（英寸）其中信息只占用其中信息只占用100英寸，磁带的利用率为：英寸，磁带的利用率为：100/700=14.3%若采用块因子数为若采用块因子数为4作成组处理时，则共占带：作成组处理时，则共占带：0.61000/4+(80/800)41000/4=250磁带的利用率为：磁带的利用率为：100/250=40% n假定某个文件由长度为假定某个文件由长度为80个字符的个字符的100个逻辑记录组成，磁盘存储空间被划分

18、个逻辑记录组成，磁盘存储空间被划分成长度为成长度为2048个字符的块个字符的块，为有效地使，为有效地使用磁盘空间，你可采用成组方式把文件用磁盘空间，你可采用成组方式把文件存放到磁盘上，回答下列问题：存放到磁盘上，回答下列问题：n该文件至少占用多少磁盘存储块？该文件至少占用多少磁盘存储块？ n 2048/80=25.6 25n 100/25=4 n若该文件是以链接结构形式在磁盘上的，现若该文件是以链接结构形式在磁盘上的，现用户要求使用第用户要求使用第28个逻辑记录个逻辑记录，写出系统为满，写出系统为满足用户要求而应做的主要工作。足用户要求而应做的主要工作。n首先系统计算出第首先系统计算出第28个

19、记录在第个记录在第2个物个物理块上，然后系统通过文件目录读出第理块上，然后系统通过文件目录读出第一块物理块，在该块最后单元找到第二一块物理块，在该块最后单元找到第二物理块的地址，读出第二物理块，再经物理块的地址，读出第二物理块，再经过分解第过分解第28个记录在第二块中的位置读个记录在第二块中的位置读出该记录。出该记录。 1.1.基本概念基本概念n文件控制块（文件控制块（FCBFCB）：文件控制块是操作）：文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存系统为管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息放了为管理文件所需的所有有关信息（文件属性文件属性） 文件控制块是文件存在的

20、标志文件控制块是文件存在的标志文件目录文件目录文件目录文件目录n如何实现如何实现“按名存取按名存取”？n当用户要求存取某个文件时，系统查当用户要求存取某个文件时，系统查找找目录文件目录文件，获得对应的文件目录。，获得对应的文件目录。n在文件目录中，根据用户给定的文件在文件目录中，根据用户给定的文件名寻找到对应该文件的名寻找到对应该文件的文件控制块文件控制块（文件目录项）文件目录项）n通过文件控制块所记录的该文件的相通过文件控制块所记录的该文件的相关信息（如文件信息存放的相对位置关信息（如文件信息存放的相对位置或文件信息首块的或文件信息首块的物理位置物理位置）依次存）依次存取该文件的内容。取该文

21、件的内容。文件名 扩展名文件属性建立日期建立时间文件长度修改日期修改时间第一个磁盘块号目录文件的目录文件的 目录项是文件控制块目录项是文件控制块FCB索引节点号文件属性建立日期建立时间文件长度修改日期磁盘块号012索引节点表索引节点表目录文件目录文件文件名文件名索引节点号索引节点号123将上述目录项分解，引入将上述目录项分解，引入索引节点索引节点n文件目录：把所有的文件目录：把所有的FCB组织在一起，组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合序集合n目录项：构成文件目录的项目（目录项目录项：构成文件目录的项目（目录项就是就是FCB）n目录文件：为了实

22、现对文件目录的管理，目录文件：为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫目录文件存，这个文件就叫目录文件（1）一级目录结构）一级目录结构 为所有文件建立一个目录文件（组成一线为所有文件建立一个目录文件（组成一线性表）性表）优点：简单，易实现优点：简单，易实现缺点：缺点：n限制了用户对文件的命名限制了用户对文件的命名n文件平均检索时间长文件平均检索时间长n限制了对文件的共享限制了对文件的共享2. 目录结构目录结构文件名文件名文件的物文件的物理位置理位置日期日期时间时间其他其他信息信息C bsc Wps 单级目录结构单级目录结构一

23、级目录结构一级目录结构n系统构造一张线性表，每个文件有关的属系统构造一张线性表，每个文件有关的属性占用一个目录项就成了一级目录结构。性占用一个目录项就成了一级目录结构。 n缺点缺点: :一是重名问题，二是文件共享一是重名问题，二是文件共享问题问题。目录项1目录项2目录项N文件1文件2文件N文件目录n单级目录机构文件文件1（FCB） 文件文件2 文件文件3 文件文件n（FCB）（2）二级目录结构）二级目录结构 为改变一级目录文件目录命名冲突，并为改变一级目录文件目录命名冲突，并提高对目录文件检索速度而改进提高对目录文件检索速度而改进 目录分为两级：目录分为两级：一级称为主一级称为主文件目录文件目

24、录，给出用户名，用户子目录所在的物理位给出用户名，用户子目录所在的物理位置；二级称为置；二级称为用户文件目录用户文件目录（又称用户（又称用户子目录），给出该用户所有文件的子目录），给出该用户所有文件的FCB文件目录n二级目录结构主文件目录主文件目录用户文件目录用户文件目录1用户文件目录用户文件目录2用户文件目录用户文件目录n 文件文件1文件文件2文件文件3 二级目录结构二级目录结构(2)(2) 文件文件文件用户名 A B文件目录始址主文件目录文件名 物理地址 Afile1用户A文件目录 Afile2文件名 物理地址 Bfile1用户B文件目录 Bfile2 Bfile3文件优点：解决了文件的重

25、名问题和文件共享优点：解决了文件的重名问题和文件共享问题问题 用户名用户名| |文件名文件名 查找时间降低查找时间降低缺点：增加了系统开销缺点：增加了系统开销（3）多级目录结构（树型目录）多级目录结构（树型目录）优点：优点： 层次结构清晰，便于管理和保护；有利于层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件分类；解决重名问题；提高文件检文件分类；解决重名问题；提高文件检索速度；能进行存取权限的控制索速度；能进行存取权限的控制 缺点：缺点： 查找一个文件按路径名逐层检查，由于每查找一个文件按路径名逐层检查，由于每个文件都放在外存，多次访盘影响速度个文件都放在外存，多次访盘影响速度根目录根目录rootr

26、ootusrusrhomehomebashbashsbinsbinlocallocalZhangZhangLiuLiuAbcAbcsquidsquida.outa.outpolypolyhttpdhttpd 此时正在此时正在访问访问/home/liu;即此为工作目录即此为工作目录a.Out的绝对路径：的绝对路径：/home/liu/a.outa.Out的相对路径：的相对路径：liu/a.out（4）文件目录检索）文件目录检索 访问文件包括：访问文件包括： 目录检索：目录检索： 用户给出文件名，按名寻找目录项用户给出文件名，按名寻找目录项 根据路径名检索：根据路径名检索： 全路径名：从根开始全路

27、径名：从根开始 相对路径：从当前目录开始相对路径：从当前目录开始目录查询技术目录查询技术如基于索引节点：如基于索引节点：查找查找/usr/ast/mbox/usr/ast/mbox/usr/ast/mbox/usr/ast/mbox文件名索引节点.1.1bin4dev7lib14etc9usr6tmp8根目录表根目录表(1) 在根目录表中查找usr目录索引节点文件类型属性物理地址1d6d13226d49660f200索引节点表（外存）索引节点表（外存）(2) 读入读入6号索引节点到号索引节点到内存内存文件名索引节点.6.1are19jkl30hui51ast26lkm45usr目录文件目录文件

28、索引节点文件类型属性物理地址1d6d13226d49660f200索引节点表索引节点表(3) 从132号盘块读入usr目录文件，查找ast(4) 读入读入26号号索引索引节点节点到到内存内存/usr/ast/mbox/usr/ast/mbox文件名索引节点.26.6gran64book92mbox60mini81scr17ast目录文件索引节点文件类型属性物理地址1d6d13226d49660f200索引节点表(5) 从496号盘块读入ast目录文件，查找mbox(6) 读入60号索引节点到内存(7) 从从200号盘块读入号盘块读入mbox文件，查找结束文件，查找结束/usr/ast/mbox

29、/usr/ast/mboxn1. 1. 分级安全管理分级安全管理 文件的保护1 系统级安全管理2 用户级安全管理3 目录级安全管理4 文件级安全管理2文件的存取权限3、文件安全1、数据丢失2、防范入侵者3、病毒防御d rwx rwx rwx文件文件类型类型创建者创建者权限权限同组用同组用户权限户权限其他用其他用户权限户权限2文件的存取权限ndrwx- 4 user wheel 512 Nov 25 17:23 Mailn-rw-rw-r- 1 user wheel 149 Dec 4 14:18 Makefilen-rwxr-xr-x 1 user wheel 3212 Dec 4 12:36 a.outndrwxr-xr-x 1 user wheel 512 Dec 14 17:03 binn-rw-r-r- 1 user wheel 143 Dec 4 12:36 drwxr-xr-x 2 user wheel 1024 Oct 16 1997 public_htm