操作系统第七章仍旧重要的文件和磁盘管理YSU课件

测验：

1、考虑下面的访问串：1、2、3、4、2、1、5、6、2、1、2、3、7、6、3、2、1、2、3、6。假定分配的物理块有4、5、6三种情况，应用下面的页面替换算法，计算各会出现多少次缺页中断？注意，所给定的页块初始均为空，因此，首次访问一页时就会发生缺页中断。

1）LRU2）FIFO3）OPT第七章文件及磁盘管理7.1文件系统基础7.2文件系统实现（物理实现）

7.1文件系统基础

什么是文件？什么是文件系统？

文件系统主要完成哪些功能？

7.1.1文件的概念

文件是以计算机硬盘为载体存储在计算机上的信息集合，文件可以是文本文档、图片、程序等。

系统运行时，计算机以进程为基本单位进行资源的调度和分配；在用户进行的输入输出中，则以文件为基本单位。

一、文件的组成

包含一块存储空间（其实是存储空间中的数据）；

包含分类和检索信息；

包含关于访问权限的信息。

例如：图书馆中的书。

一本书相当于文件中的数据；

不同类别的书需要放在不同的书库，再编号，相当于分类索引；

部分昂贵的书目只给VIP读者使用，相当于访问权限。

二、文件的结构（数据项、记录和文件）

1.数据项

在文件系统中，数据项是最低级的数据组织形式，可把它分成以下两种类型：

(1)基本数据项，用于描述一个对象的某种属性的一个值，例如姓名、证件号码、日期等。是数据中可命名的最小逻辑数据单位，即原子数据。

(2)组合数据项，由多个基本数据项组成。图7-1文件、记录和数据项之间的层次关系三、文件的属性

1、名称，唯一。

2、标识符，文件系统内标识文件的唯一标志，一般为数字。

3、类型，一般由不同的扩展名表示。

4、位置。

5、大小。

6、保护，对文件进行保护的访问控制信息。

7、时间、日期和用户标识，创建、上次修改、上次访问等信息。四、文件的打开与关闭

大部分操作系统要求在文件使用之前就被显示打开。在open调用完成之后，操作系统对该文件的任何操作，都不在需要文件名，只需要open调用返回的指针。close之后，系统回收分配给该文件的内存空间等资源，最后释放文件控制块。

每个打开的文件都有如下信息：

1）文件指针，这个指针对打开文件的某个进程来说是唯一的。

2）文件打开计数，多个进程共用一个文件时用。

3）文件磁盘位置，该信息直接存入内存，避免每个文件操作都从磁盘读取。

4）访问权限。

7.1.2文件的逻辑结构

文件的逻辑结构是从用户观点出发看到的文件组织形式，文件物理结构是从实际观点出发,指文件在外存上的存储组织形式。

1)无结构文件（流式文件）

将数据按顺序组织成记录并积累保存，是有序相关信息项的集合，以字节（Byte）为单位。访问只能通过穷举搜索的方式，对大多数应用都不适用。但是适合于采用字符流的无结构方式，如源程序文件、目标代码文件等。

2)有结构文件（记录式文件）

(1)顺序文件，文件中的记录一个接一个地顺序排列，可以是定长或变长的，可以顺序存储，或链表形式存储。包括:

串结构：按时间先后顺序。

顺序结构：按关键字先后顺序。

(2)索引文件，为加快检索速度，索引表本身是定长记录的顺序文件。（见下图）

(3)索引顺序文件，上面两种的结合。

(4)直接文件或散列文件（HashFile），给定记录的键值或通过Hash函数转换的键值直接决定记录的物理地址。图7-4具有单个和多个索引表的索引文件

7.1.3目录结构

目录在用户（应用程序）所需要的文件名和文件之间提供一种映射。

(1)实现“按名存取”。

(2)提高对目录的检索速度。

(3)文件共享。

(4)允许文件重名。1、文件控制块和索引结点

1）

文件控制块FCB(Block)

用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构，以实现“按名存取”。

FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。

FCB包含：

文件基本信息；

存取控制信息；

使用信息。索引结点主要包括以下内容：

(1)文件主标识符，即拥有该文件的个人或小组的标识符；

(2)文件类型，包括正规文件、目录文件或特别文件；

(3)文件存取权限，指各类用户对该文件的存取权限；

(4)文件物理地址，每一个索引结点中含有13个地址项，即iaddr(0)～iaddr(12)，它们以直接或间接方式给出数据文件所在盘块的编号；

(5)文件长度，指以字节为单位的文件长度；

(6)文件连接计数，表明在本文件系统中所有指向该(文件的)文件名的指针计数；

(7)文件存取时间，指出本文件最近被进程存取的时间、最近被修改的时间及索引结点最近被修改的时间。2、

文件目录结构

需要执行的操作：搜索、创建文件、删除文件、显示目录、修改目录。

1）

单级文件目录

这是最简单的文件目录。在整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项，目录项中含文件名、文件扩展名、文件长度、文件类型、文件物理地址以及其它文件属性。此外，为表明每个目录项是否空闲，又设置了一个状态位。单级文件目录如图7-9所示。

2）

两级文件目录

为了克服单级文件目录所存在的缺点，可以为每一个用户再建立一个单独的用户文件目录UFD(User)。这些文件目录具有相似的结构，它由用户所有文件的文件控制块组成。此外，在系统中再建立一个主文件目录MFD(Master)；在主文件目录中，每个用户目录文件都占有一个目录项，其目录项中包括用户名和指向该用户目录文件的指针。图7-10两级文件目录3）多级目录结构（树形结构目录)

在现代OS中，最通用且实用的文件目录无疑是树形结构目录。它可以明显地提高对目录的检索速度和文件系统的性能。主目录在这里被称为根目录，在每个文件目录中，只能有一个根目录，每个文件和每个目录都只能有一个父目录。把数据文件称为树叶，其它的目录均作为树的结点，或称为子目录。图7-11示出了树形结构目录。

在树形结构目录中，从根目录到任何数据文件都只有一条唯一的通路。在该路径上，从树的根(即主目录)开始，把全部目录文件名与数据文件名依次地用“/”连接起来，即构成该数据文件唯一的路径名。图7-11多级目录结构7.1.4文件共享

文件共享使多个用户（进程）共享同一份文件，文件共享的范围已由单机系统发展到多机系统。

1、基于索引结点的共享方式（硬链接）

诸如文件的物理地址及其它的文件属性等信息，不再是放在目录项中，而是放在索引结点中。在文件目录中只设置文件名及指向相应索引结点的指针，如图7-14所示。图7-14基于索引结点的共享方式2、利用符号链接实现文件共享（软链接）

允许一个文件或子目录有多个父目录，但其中仅有一个作为主(属主)父目录，其它的几个父目录都是通过符号链接方式与之相链接的(简称链接父目录)。图7-16使用符号链接的目录层次

7.1.5文件保护

文件访问类型：

读；

写；

执行；

添加；

删除；

列表清单；

重命名、复制、编辑等。

1、保护域

（1）访问权

（2）保护域

2、访问矩阵

（1）基本的访问矩阵

（2）具有域切换权的访问矩阵

3、访问矩阵的修改

（1）拷贝权

（2）所有权

（3）控制权

4、访问矩阵的实现7.2文件系统的实现

一、文件系统的层次结构

1、常见现代OS的文件系统类型

（1）FAT（2）NTFS（3）CDFS（4）exFAT

（5）EXT（6）ZFS（7）JFS（8）UMFS2、层次结构新建、打开、读写、关闭等用户接口文件目录系统存取控制模块逻辑文件系统与文件信息缓冲区物理文件系统辅助分配模块设备管理模块0级1级2级3级4级管理文件目录表、读写状态信息表等比较用户访问要求和FCB中指示的访问控制权限将用户要读写的逻辑记录转成文件逻辑结构内的相应块号将逻辑记录所在的相对块号转成实际的物理地址分配设备、分配读写缓冲区、磁盘调度、启动磁盘、处理中断等二、文件实现

研究文件的物理结构，即文件数据在物理存储设备上是如何分布及组织的。

1、文件分配方式

（1）连续分配方式

要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块。见251页图8-1

优点：访问容易，访问快

缺点：外部碎片多；事先要知道文件长度；

插入、删除记录不方便；

很难支持动态增长问题。（2）链接组织方式

1）隐式链接

每个目录项中都含有指向链接文件第一个盘块和最后一个盘块的指针。每个盘块都记录下一个盘块。

优点：离散，消除外部碎片

缺点：只适合顺序访问，对随机访问效率低。

2）显示链接*教材253页

把用于链接文件各物理块的指针显示存放在内存的一张链接表中。

表中存储所有物理块及该块指向同文件中下一块的指针。

文件控制块FCB中存文件首的块号。

该表称为文件分配表FAT（Table）（3）索引组织方式

链接组织方式缺点：

不支持高效的直接存取；

FAT本身需占用较大内存。

索引方式：

1）单级索引方式教材257页

为每个文件分配一个索引块（表），把分配给该文件的所有盘块号都记录在索引块号中。建立文件时，只须在为之建立的目录项中填上指向该索引块的指针。

2）多级索引组织方式教材258页

3）增量式索引组织方式（混合组织方式）

a）对小文件，盘块地址最好直接放入FCB中，即直接寻址；

b）对中型文件，采用单级索引，即一次间址；

c）大型、特大型文件，采用二级、三级索引，即二次、三次间址。

UNIX采用该方式。

（4）补充：显示链接组织方式

1)FAT技术

每个逻辑磁盘是一个卷，每个卷专门划出一个单独区域来存放自己的目录和FAT表。

a）FAT12

12位表项212个表项一块512字节512*212=2MB

如果四个逻辑分区，最大支持8MB。

b）引入簇

簇（cluster）：相邻的一组扇区，一般2n个块

设一簇8块时，最大支持8*8=64MB

c）FAT16

16位表项216个表项1簇128K时

216

*128K=8G浪费仍旧很大。d）FAT32

FAT32比FAT16存储利用率提高15%

缺点：FAT32不支持小于512M的分区；

单个文件长度不能大于4G；

不能向下兼容。

2）NTFS

a）使用64位磁盘地址

b）支持长文件名

c）一定容错能力

d）数据一致性保证

e）提供文件加密、文件压缩功能

以簇为分配、回收单位2、文件存储空间管理

（1）空闲表法

（2）空闲链表法

（3）位示图法

（4）成组链接法练习：

1、设当前工作目录的主要目的是（C）。（2010联考真题）

A、节省外存空间B、节省内存空间C、加快文件的检索速度

D、加快文件的读/写速度

2、文件系统中，文件访问控制信息存储的合理位置是（A）。（2009联考真题）

A、文件控制块B、文件分配表C、用户口令卡D、系统注册表

3、若一个用户进程通过read系统调用读取一个磁盘文件中的数据，则下列关于此过程的叙述中，正确的是（A）。（2012联考真题）

I若该文件的数据不在内存，则该进程进入睡眠等待状态。

II请求read系统调用会导致CPU从用户态切换到核心态

IIIread系统调用的参数应包含文件的名称

A、仅I、IIB仅I、IIIC、仅II、IIID、I、II和III4、用户在删除某文件的过程中，操作系统不可能执行的操作是（A）。（2013年联考真题）

A、删除此文件所在的目录B、删除与此文件关联的目录项

C、删除与此文件对应的文件控制块D、释放与此文件关联的内存缓冲区

5、设文件F1的当前引用计数值为1，先建立文件F1的符号链接（软链接）文件F2，再建立文件F1的硬链接文件F3，然后删除文件F1。此时，文件F2和文件F3的引用计数值分别是（B）。（2009联考真题）

A、0、1B、1、1C、1、2D、2、1

6、在一个文件被用户进程首次打开的过程中，操作系统需做的是（B）。（2014年联考真题）

A、将文件内容读到内存中B、将文件控制块读到内存中

C、修改文件控制块中的读写权限D、将文件的数据缓冲区首指针返回给用户进程

7、下列文件物理结构中，适合随机访问且易于文件扩展的是（B）。（2009联考真题）

A、连续结构B、索引结构

C、链式结构且磁盘快定长D、链式结构且磁盘块变长

8、设文件索引结点中有7个地址项，其中4个地址项是直接地址索引，2个地址项是一级间接地址索引，1个地址项是二级间接地址索引，每个地址项大小为4B，若磁盘索引块和磁盘数据块大小均为256B，则可表示的单个文件最大长度是（C）。（2010联考真题）

A、33KBB、519KBC、1057KBD、16516KB

9、为支持CD-ROM中视频文件的快速随机播放，播放性能最好的文件数据块组织方式是（A）。（2013联考真题）

A、连续结构B、链式结构C、直接索引结构D、多级索引结构10、若某文件系统索引节点（inode）中有直接地址项和间接地址项，则下列选项中，与单个文件长度无关的因素是（A）。（2013联考真题）

A、索引节点的总数B、间接地址索引的级数

C、地址项的个数D、文件块的大小

强化练习：

1、（2011联考真题）某文件系统为一级目录结构，文件的数据一次性写入磁盘，已写入的文件不可修改，但可多次创建新文件。请回答如下问题：