计算机操作系统课件chap05a.

1、n文件系统的概念文件系统的概念n文件的逻辑结构和存取方法文件的逻辑结构和存取方法n文件的物理结构和存取设备文件的物理结构和存取设备n文件存储空间管理文件存储空间管理n文件目录管理文件目录管理n文件存取控制文件存取控制n文件的使用文件的使用n文件系统的层次模型文件系统的层次模型第五章第五章 文件系统文件系统1 信息是计算机系统中的重要资源。操作系统中的一个重要组成部分，文件系统，就负责信息的组织、存储和访问。 本章主要讨论文件的组织结构、存取结构、保护以及文件系统空间管理等问题。2 5.1 文件系统的概念1. 文件系统的引入操作系统对计算机的管理包括两个方面：硬件资源的管理和软件资源的管理。硬件

2、资源的管理包括CPU 的管理、存储器的管理、设备管理等，主要解决硬件资源的有效和合理利用问题。软件资源的管理则包括对各种系统程序（包括操作系统本身的程序）、系统应用程序或工具（例如编辑程序、编译程序等）、库函数及各种用户程序和数据的管理。3图图5.1 操作系统的软硬件管理操作系统的软硬件管理4 显然，用户使用计算机来完成自己的某项任务时，要碰到下列问题： (1) 使用现有的软件资源来协助完成自己的任务。 (2) 编制完成的或未完成的程序存放在什么地方,需要访问的数据存放在什么地方，从而使得人们可以再利用已有的软件资源。 事实上，这两个问题是一个怎样对软件资源（程序和数据）进行透明存放，并能令这

3、些程序和数据做到召之即来的问题。5 大容量直接存取的磁盘存储器以及顺序存取的磁带存储器等的出现，为程序和数据等软件资源的透明存取提供了物质基础。这导致了对软件资源管理质的飞跃文件系统的出现。 6 透明存取是指不必了解文件存放的物理结构和查找方法等与存取介质有关的部分，只需给定一个代表某段程序或数据的文件名，文件系统就会自动地完成对与给定文件名相对应文件的有关操作。7 文件系统把相应的程序和数据看作文件，并把它们存放在磁盘或磁带等大容量存储介质上，从而做到对程序和数据的透明存取。 8文件是通过操作系统来管理的，包括：文件的结构，命名，存取，使用，保护和实现方法。9 两种观点 用户观点： 文件系统

4、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。 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。10 2.文件与文件系统的概念 (1) 文件 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。 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 文件内容的意义：由文件的建立者和使用者解释11 各信息项之间具有顺序关系各信息项之间具有顺序关系信息项信息项 信息项信息项 . 信息项信息项 . 信息项信息项编号：编号：0 1 i n-1读写指针读写指针12 (2) 文件系统 操作系

5、统中与管理文件有关的软件和数据称为文件系统。它负责为用户建立文件，撤消、读写、修改和复制文件，还负责完成对文件的按名存取和进行存取控制。13文件系统优点文件系统优点: :n用户使用方便（“按名存取”） n文件安全可靠 （用户通过文件系统实现 对文件的访问）n实现文件共享（不同用户使用同一文件） 把数据组织成文件形式加以管理和控制是计算机数据管理的重大发展。14(3)文件的命名n文件是一个抽象机制，提供了把文件保存在磁盘上，用户不必了解信息存储细节且便于读取的方法，这一抽象机制中最重要的是文件命名。n文件名是字母或数字组成的字母数字串，它的格式和长度因系统而异。15各个操作系统给出文件命名规则略

6、有不同。长度，字母、数字和特殊字符，大小写区分，支持文件扩展名（一个或多个）。 一般，文件名字由文件名和扩展名两部分组成，中间用“.”分隔开来。例子：.bak .c .gif .html .o .txt .zip16（4）功能n统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收n实现文件的按名存取 名字空间 映射 存储空间17n实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措施。n向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令，以及提供对文件的操作命令：信息存取、加工等）。18n系统维护及向用户提供有关信息n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大，用户使用操作系统的感觉在很大

7、程度上取决于对文件系统的使用效果n提供与I/O的统一接口19 可按各种方式进行分类：（1）按文件性质和用途分类系统文件：有关操作系统核心和各种系统应用程序和数据组成。只允许用户通过系统调用来执行它们。库文件：标准子程序及常用应用程序组成文件，允许用户使用但不能修改。用户文件：由源程序、目标程序、用户数据库等组成。只有文件的所有者或所授权的用户才能使用。3.文件的分类文件的分类20（2）按信息保存期限分类 临时文件；永久文件；档案文件（3）按文件的保护方式分类 只读文件；读写文件；可执行文件（4）按信息流向可分成：输入文件、输 出文件和输入输出文件（5）按设备类型可分成：磁盘文件、磁 带文件、软

8、盘文件21（6）按文件的逻辑结构分类 流式文件；记录式文件（7）按文件的物理结构分类 顺序（连续）文件；串联文件； 索引文件22（8）UNIX系统将文件分为三类普通文件普通文件(regular)(regular)：包含的是用户的信息，一般为ASCII码文件或二进制文件目录文件目录文件(directory)(directory)： 管理文件系统的系统文件 特殊文件特殊文件(special file)(special file)： 块设备文件和字符设备文件合称特殊文件，把所有输入输出设备统一在文件系统下，有利于系统管理，方便用户使用。 231.文件的逻辑结构 文件的逻辑结构是用户可见的结构。 从用

9、户观点出发，研究用户概念中的信息组织方式，这是用户能观察到，可加以处理的数据集合。由于数据可独立于物理环境加以改造，所以称为逻辑结构。 文件的逻辑结构分两种形式： 流式文件，记录式文件。5.2、文件的逻辑结构及文件存取方文件的逻辑结构及文件存取方式式24一条记录一条记录一个字节一个字节字节序列字节序列 记录序列记录序列 树树25（1）流式文件：构成文件的基本单位是字节，文件是有逻辑意义的、无结构的一串字符的集合。 文件常按长度来读取所需信息，也可用插入特殊字符作为分界。n文件：一个无结构字节序列 好处：提供很大的灵活性26（2）记录文件：文件是由若干个逻辑记录组成，逻辑记录是文件中按信息在逻辑

10、上的独立含义划分的信息单位。它由该记录在文件中的逻辑地址（相对位置）与记录名所对应的一组键、属性及其属性值所组成。 逻辑记录的概念被应用于许多场合，特别象数据库管理系统中已是必不可少的了。记录式文件是有结构的文件。 27图图5.2 记录组成记录组成28 图中，1296是名为R 的记录在文件中的逻辑地址，姓名 : A 是该记录的键，而 性别，出生年月，工资 等是该记录的属性，紧跟在这些后面的是属性值。一个记录可以有多个键名，每个键名可对应于多项属性。29 根据各系统设计的要求不一样，记录既可以是定长的，也可以是变长的。记录的长度可以短到一个字符，也可以长到一个文件，这要由系统设计人员确定。 文件

11、：一个定长或变长记录的序列，每条记录有其内部结构。30记录式文件的组织可进一步分成以下几种方式记录式文件的组织可进一步分成以下几种方式:na、顺序文件 顺序文件中的记录可按不同的顺序进行排列: 如果文件中的记录按存入的先后次序进行排列,则称为串结构文件串结构文件; 如果是按关键词的次序进行排列,则称为顺序结构文件顺序结构文件. 顺序文件中的记录项通常是定长记录,故顺序文件,尤其是其中的顺序结构文件通常具有较快的记录检索速度.31nb、索引文件 当记录为可变长度时,通常采用索引文件的方式.它为每个文件建立一张索引表,并将主文件的每个记录的记录号(或关键字)、长度和逻辑结构（即记录离文件首字节的偏

12、移量）记录在索引表中。由于索引表本身是一个定长记录文件，因此可以十分方便地检索到相应记录的索引表项，从而可方便地对主文件中的记录实现直接存取。32索引文件的组织 索引号0长度 m指针 ptrm01m1imi索引表R0R1Ri逻辑文件33nc、索引顺序文件 索引顺序文件是上述两种构成方式的结合，其中的记录按顺序方式组织，每个文件也需建立一张索引表，但因为其中只需为文件的每一组记录的第一个记录设置一个索引表项，因此能有效地减少索引表所占的空间。34索引顺序文件 键An QiBao RongChen Lin逻辑地址姓 名An QiAn Kang其它属性Bao Rong逻辑文件35n设计文件的逻辑结构

13、应考虑的因素：易于修改访问快速维护简单节省存储空间362.存取方法存取方法n存取方法是操作系统为用户程序提供的使用文件的技术和手段。n用户通过对文件的存取来完成对文件的修改、追加和搜索等操作。37 n(1)、顺序存取法 按文件的逻辑地址顺序存取。在记录式文件中，这反映为按记录的排列顺序来存取。在无结构的字符流式文件中，顺序存取反映当前读写指针的变化。n(2)、直接存取法 允许用户根据记录的编号来存取文件的任一记录，或根据存取命令把读写指针移到欲读写处来读写。 38n(3)、按键存取法 是一种用在复杂文件系统，特别是DBMS中存取方法。文件存取是根据给定的键或记录名进行的。首先搜索到要进行存取的

14、记录的逻辑位置，再将其转换到相应的物理地址后进行存取。n对键的搜索是在用户给定所要搜索的键名和记录后，确定该键名在文件中的位置。而对记录的搜索则是在搜索到所要查找的键之后，在含有该键的所有记录中查找出所需要的记录。39对键或记录的搜索，大致分为三种类型： a. 线性搜索 从第一个键或记录开始，依次和所要搜索的键或记录相比较，直到找到所需要的记录为止。 最简单、最直观的搜索方法。搜索效率较低。 b. 散列法 定义一个散列函数h(k)，使得对于给定的键k，散列函数h(k)将其变换为k所对应的逻辑地址。40 c. 二分法n设键k0、k1、kn(n1)按键距d排列，如果k0的逻辑位置为 a0,则有ki

15、的逻辑位置为a0+i*d。二分法首先把所要搜索的键与队列的首尾相比较，如果和其中之一相等，则返回所搜索到的键的逻辑位置。否则，再与队列1/2处的键比较，如果所要的键正好等于该键的话，则返回该键的逻辑地址；否则，如果所要搜索的键k小于位于队列中央的键的话，则继续搜索左边的半个队列，否则继续搜索右边的半个队列。直到找到为止。n搜索效率高，但事先把搜索对象按一定顺序排列。411 存储设备（1）物理块(块) 在文件系统中，文件的存储设备常常划分为若干大小相等的物理块。同时也将文件信息划分成相同大小的逻辑块（块），所有块统一编号。 以块为单位进行信息的存储、传输、分配。5.3 文件的物理结构与存储设备4

16、2（2）磁带永久保存大容量数据顺序存取设备：前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续的物理块的内容。43第i块 间隙 第i+1块为了在存取一个物理块时让磁带机提前加速和不停止在下一个物理块的位置上，磁带的两相邻的物理块之间设计有一个间隙将它们隔开。图5.3 磁带的结构44 如果按随机方式或按键存取方式存取磁带上的文件信息，其效率不会很高。 主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或作为用于传递数据的介质。45（3）磁盘 直接（随机）存取设备： 存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置。46 信息记录在磁道上。一般，盘片的正反两面都用来记录信息，每面一个磁头。多个盘片可垂直堆叠起来。

17、所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一个柱面。 物理地址形式： 磁头号（盘面号） 磁道号（柱面号） 扇区号47 盘面9盘面8盘面7盘面6盘面5盘面4盘面3盘面2盘面1盘面0轴心读写磁头主杆扇区磁道磁道间隔扇区间隔图5.4 磁盘的结构48 磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成，实际存取读写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机要求完成的。 一次访盘请求： 读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，盘面号，扇区号），内存地址（源/目）49完成过程由三个动作组成：寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输50 硬盘又

18、分为两种： 固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头，变换磁道时不需要磁头的机械移动，速度快但成本高。 移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变换磁道时需要移动磁头，速度慢但成本低。51 (4).光盘 光盘容量大，速度快，价格便宜。 光盘的空间结构与磁盘类似。52（5）外存的特点容量大，断电后仍可保存信息，速度较慢，成本较低。由两部分组成：驱动部分+存储介质种类很多。外存空间组织与地址与存取方式非常复杂I/O过程方式非常复杂。53（6）用户对外存的要求 用户对外存的使用：读写外存数据 用户对外存的要求：方便、效率高、安全54n在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻辑地址和逻辑操作。n存取速度尽可能快，容量大且

19、空间利用率高。n外存上存放的信息安全可靠，防止来自硬件的故障和他人的侵权。n可以方便地共享，动态扩缩，携带拆卸，了解存储情况和使用情况。n以尽可能小的代价完成上述要求。552.文件的物理结构n文件的物理结构是指逻辑文件在物理存储空间中存放方式。n是从系统的角度来看文件， 从文件在物理介质上的存放方式来研究文件。n涉及：块的划分、记录的排列、索引的组织、信息的搜索，其优劣直接影响文件系统的性能。56（1）连续文件 逻辑上连续的文件信息依次存放到物理块中。 57图图5.5 连续文件结构连续文件结构58优点: 简单 支持顺序存取和随机存取 顺序存取速度快 所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少59缺点:

20、n文件不能动态增长 预留空间:浪费 重新分配和移动n不利于文件插入和删除n外部碎片问题 60（2）链接文件 一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中，各块之间通过指针链接，前一个物理块指向下一个物理块。 61图图5.6 链接文件的物理结构链接文件的物理结构62优点：提高了磁盘空间利用率,不存在外部 碎片问题 有利于文件插入和删除 有利于文件动态扩充63缺点： 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64（3）索引文件 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结构-索引表，并将这些块的块号存放在一个索引表中

21、。 一个索引表就是磁盘块地址数组,其中第i个条目指向文件的第i块。65图图5.7 索引文件示意图索引文件示意图66优点： 保持了链接结构的优点，又克服了其缺点：n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n能充分利用外存空间67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68索引表组织: 链接模式:一个盘块一个索引表,多个索引表链接起来 多级索引:将一个大文件的所有索引表（二级索引)的地址放在另一个索引表（一级索引)中 69 UNIX文件系统采用的是混合索引结构。每个文件的索引表为13个索引项，每项2个字节。最前面10项直接登记存放文件

22、信息的物理块号（直接寻址）。70 如果文件大于10块，则利用第11项指向一个物理块，假定该块中最多可放256个文件物理块的块号（一次间接寻址）。对于更大的文件还可利用第12和第13项作为二次和三次间接寻址。 71012345678910111202550255025502550255025502550255025502550255UNIX/Linux混合索引结构72 存取方式n顺序存取方式n随机(直接)存取方式3.3.文件结构、文件存取方式与文件存储介文件结构、文件存取方式与文件存储介质的关系质的关系顺序存取顺序存取顺序顺序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磁盘磁盘连续连续链接链接索引索引顺序顺序顺序顺序随机随机 随机随机73（1）空闲文件目录 （空闲表法） 将所有空闲块的块号统一放在一个称为空闲文件目录的物理块中。其中空闲文件目录的每个表项对应一个由多个空闲块构成的空闲区，它包括空闲块