操作系统(文件系统)知识点介绍

第7章文件系统主要内容：文件的概念，文件结构和存取方法，文件目录结构，文件访问系统调用，文件存储空间布局与管理，文件保护，文件系统的基本模型。重点：文件的概念，文件的逻辑结构、物理结构。难点：存取方法，文件目录及其组织结构。1为了方便使用、管理系统公共程序和数据以及用户自己的程序和数据。文件系统的基础：大容量磁盘。为了对外存储器空间管理和对其上文件的按名访问而引入文件系统。为什么引入文件和文件系统21.文件系统的功能支持文件所占存储介质空间的分配/释放；支持文件相对起始数据的逻辑块定位到外存上的物理块；支持对文件访问的安全检查；支持对文件的访问。2.将文件系统类比页式存储管理页式存储管理将一个进程分页存放于主存，页表是逻辑页到物理页的定位信息；文件系统将一个文件分块存放于外存，文件控制块包含文件的定位信息。33.按用途分类文件系统文件如操作系统核心目标代码文件，驱动程序文件，注册库配置文件。库文件，实用程序文件如UNIX中的ls，more等程序；windows中的.dll，.exe。其他文件如用户源程序文件，数据文件，各种应用程序用的数据文件。47.1文件结构

7.1.1文件概念文件是由创建者所定义的一组相关的信息集合，这些信息包括程序和数据。文件的主要属性包括：文件名，文件类型，文件长度，创建者，创建时间，修改时间，文件定位信息，文件所包含的信息。57.1.2文件的逻辑结构

流式文件（文件的格式由使用者解释）UNIX的字节流文件；流式文件为了便于存放，可被等分成块。记录式文件（OS解释记录控制字）等长逻辑记录文件；变长逻辑记录文件。记录号学号姓名班级各科成绩计算机网络数据结构操作系统…0031001张宏网通0301858070…1031002黎明网通0301788590…2032003王浩电商0302809185…┆┆┆┆┆┆┆…01…n-16文件的访问方式

顺序访问

程序依次访问文件中的信息，操作系统自动记录文件访问的当前位置。磁带、磁盘可采用这种方式。直接（随机）访问程序读/写时直接给出要访问数据的逻辑位置（如第几个字节或第几个记录）及长度，由OS将逻辑地址转换成物理地址并访问之。磁盘访问模式。77.1.3文件的物理存储

文件存储器的物理特性磁带顺序访问设备→要求文件顺序存放于磁带上。磁带设备的存取速度（或信息传输率）与信息密度（字符数/英寸）、磁带带速（英寸/秒）和块间间隙有关。8磁盘

直接（随机）访问设备→文件可顺序、链接式或随机（通过类似页表的索引结构访问）存放于设备上。光盘定位速度快，可直接访问，但往往是一次性写入，不可删除和重写文件。一般是连续地存放。物理记录与逻辑记录的关系对直接访问设备等分成物理块，称为物理记录，利于空间的分配/释放和读/写。需实现逻辑记录到物理记录的映射。9文件的物理组织方法

顺序结构文件顺序连续存放于文件存储器上（如磁带文件，光盘文件）。 记录1记录2记录3记录m……LLL1记录1L2记录2Lm记录m……等长记录文件连续存放结构变长记录文件连续存放结构主要优点：1）顺序访问容易；2）顺序访问速度快。主要缺点：

1）必须已知文件的最大长度；2）扩展性差，不宜用来存放用户文件、数据库文件等经常被修改的文件。

10链接结构（串联文件）文件不连续地存放于文件存储器上，但使用指针按文件数据顺序将其链接起来。文件起始块结束块Myfile1425Count2016Mail3027物理块号逻辑块号0123文件的链接结构连接指针142020882525-1优点：能够利用每一个存储块，不会因为磁盘碎片而浪费存储空间。缺点：①指针要占用字节，降低了系统的运行效率和减少了存储空间。②搜索效率低；③只适应逻辑上连续文件，且顺序存取。11索引块文件Myfile3Count5Mail301482520物理块号逻辑块号01412028325图9-13索引结构由于这些物理块是不连续的，逻辑文件信息的连续性是通过索引表中记录的物理块的块号反映出来，因此把这个文件的物理结构称为索引结构，或索引文件。索引表索引结构文件不连续存放于文件存储器上，使用一张索引表来定位文件中的数据。主要问题：1）可能要花费较多的外存空间。对于小文件采用索引文件时，其索引块的利用率将是极低的。2）当文件很大时，文件索引表比较大。若索引表的大小超过了一个物理块，则必须把索引表以文件形式存放。这不利于索引表的动态增加；索引表也可按串联方式存放。这却增加了存放索引表的时间开销。1211031105┇┇1100文件索引块myfile3┇

┇300400500┇1100┇主索引100105┇第二级索引30001┇100┇105┇1103┇1105┇磁盘空间图9-14多级索引结构多级索引：索引表所指的物理块中存放的不是文件信息，而是装有这些信息的物理块地址。注：

若一个物理块可装下n个物理块地址，则经过二级索引，可寻址的文件长度将变为n*n块。若文件长度大于n*n块，则可用三级索引、四级索引等方式。13索引结构不仅适应于顺序存取，也适应于随机存取。缺点是：⑴增加了存储空间的开销。⑵在存取文件时需要至少访问存储器二次以上。一次是访问索引表，另一次根据索引表提供的物理块号访问文件信息。改进的方法：当对某个文件进行操作之前，系统预先把索引表放入内存。因此，文件的存取就可直接在内存通过索引表确定物理地址块号，而访问磁盘的动作只需要一次。

147.1.4文件控制块

OS观点：文件包含文件控制块和文件体。文件控制块（FCB）：是一张用于存放文件的标识、定位、说明和控制等信息的表格。文件控制块（FCB）的主要内容：文件名；用户名；存放方式：顺序结构，索引结构物理位置：如索引表；创建、修改时间、保存时间；口令：用于对文件访问进行验证；操作限制：如读、写、执行权限说明；共享说明（UNIX中是与操作限制一起说明）。157.2文件目录结构

文件目录：是一种数据结构，用于表示系统中的文件及其物理地址，供检索时使用。对目录管理的要求：1）操作系统实现对文件信息的“按名存取”；2）能提高对目录的检索速度，方便灵活地存取信息；3）允许文件重名；4）便于文件共享和保密。

方法：一般用文件目录的方法来管理文件，每个文件有一个目录项。可形象地理解文件目录为“文件名址录”——它是记录所有文件的名字及它代表的文件存放地址的目录表。16cattestdata…record文件1文件2文件3文件n文件目录文件7.2.1一级目录结构一级目录结构：为外存上的全部文件设立一张线性排列的目录表，包含所有文件的FCB。每建立一个新文件即在目录中增加一个FCB，每当删除一个文件即删除对应的FCB，当要访问一个文件时，先按文件名在目录中找到对应的文件FCB。17一级目录通常按卷（可理解为一盘磁带，一个逻辑磁盘）构造，即把一卷中的全部文件形成一级目录表，保存在该卷的固定区域，使用时先将目录表读到内存。优点：简单，实现容易，能实现“按名存取”。缺点：1）当系统中的文件数很多时，则查找时间长；2）易发生重名问题；3）不便于实现文件共享。187.2.2二级目录结构

基本思想：1）第一级为主文件目录MFD(MasterFileDirectory)，主文件目录以用户名为索引，对每个用户都设置一个指向用户文件目录的指针。2）第二级为用户文件目录UFD(UserFileDirectory)，用户文件目录为本用户的每一个文件设置一个目录项。19User1User2User3User4主文件目录文件ATestDataATestDataAATest用户文件目录二级目录结构优点：按名查找文件的时间减少，一定程度上解决同名问题。缺点：1）若一个用户拥有的文件数越多，则在他的目录中查找一个文件所花费的时间就越长。

2）用户无法对自己的文件进行再分类安排。系统文件怎么放？20根目录(root)用户目录User1User2User3User4ATestDataTestDataAATestBA用户子目录树形目录结构7.2.3树形目录结构多级目录结构象一棵倒置的有根树，故称为树形目录结构。树型目录结构即是目录的层次结构。路径名绝对路径名当前目录相对路径名21树形目录结构的特点如下：1.解决了重名问题；2.层次清楚；3.提高检索文件的速度；4.能进行存取权限的控制，在子目录中可规定存取权限，则检索文件时需核对存取权限，可实现对文件的保护和保密。若文件在当前目录中，则存取文件时只要指出文件名就行，文件系统将在当前目录中寻找该文件。若文件不在当前目录中，但在当前目录的下级目录中，则可用相对路径名指定文件，文件系统就从当前目录开始沿着指定的路径查找该文件。例如：

绝对路径名root/user1/A/B相对路径名A/B22DictspellListallwcountcountwordslistListradew7root图9-4无环图目录结构7.2.4无环图目录结构引入原因：树形目录结构不便于实现文件共享。无环图目录结构或文件：允许若干目录共同描述或共同指向被共享的子目录或文件。缺点：1）可能重复遍历图中的某些节点；

2）删除共享节点时可能会产生悬挂指针。3）共享时难以保证FCB的一致；237.3文件存储器空间布局与管理1.文件存储器空间的划分与初始化

文件存储于文件卷中，文件卷可以是一个物理盘，也可以是一个物理盘的一部分，一个支持超大型文件的文件卷也可以由多个物理盘组成。参见下图：目录区文件区目录区文件区目录区文件区卷1卷2盘1卷3盘2盘324

2.文件存储器空间管理文件区和目录区自由空间表示（将盘空间等分成物理块）：位向量（bitmap表）。某一柱面中的扇区按约定方法顺序编号，每一物理块由bitmap表中的一位表示，1表示占用，0表示空闲。空闲块链表。将所有空闲块线性链接或成组链接。查找效率低。25将空闲块成组链接可以减少访盘次数nnnn+n

1

2

+1

+2

0

注：位向量、第一个成组链块以及目录区、文件区划分信息都必须存放在辅助存储器中，一般存放在卷头，UNIX中称为“超级块”267.4文件访问系统调用操作系统提供文件创建、删除、打开、关闭、读、写等系统调用作为用户编程界面。目录可以看出是特殊的文件，目录由目录项组成，目录项可以是文件控制块或文件名字和文件控制块索引信息。27文件的建立与删除CREATE系统调用参数包括：文件名（路径名）；设备名（卷名）；文件说明和控制信息（FCB中要用户提供的信息）。DELETE：给出文件名参数7.4.1传统文件系统调用实现

28CREATE系统调用大致处理过程：检查参数合法性；在文件目录结构中的适当位置建立一个文件控制块FCB；将参数填入FCB；分配文件所存放的外存空间，建立索引表，填入FCB中。DELETE文件系统调用过程：检查参数，得到文件名（路径名）；按名查找文件目录结构，找到文件的FCB；按FCB中的索引表释放文件所占外存空间；从文件目录结构中删除FCB。29文件的打开与关闭

OPEN系统调用处理过程：检查参数，获得文件名（路径名）；按名查找文件目录结构，找到文件的FCB；将FCB拷贝入内存，存入内存活跃文件目录表中；建立一张本次打开的文件读写状态信息表，将当前访问指针指向文件首部；将文件读写状态信息表的地址存于进程PCB中的资源描述区的“打开文件表”中，返回其索引号fd作为本次调用的返回值。30PCB活跃文件目录表读写状态信息表打开文件表打开文件表、文件读写状态信息表、活跃文件目录表的关系如图所示。内存fd31CLOSE系统调用管理过程：检查参数，获得fd；按fd在PCB中的“打开文件表”中得到文件读写状态信息表的指针，释放文件读写状态信息表，如果活动文件目录表中FCB不再使用，则释放该FCB所占的空间。32文件的读写读写参数包括：fd；起始逻辑地址（默认时即当前访问地址，一般存于读写状态信息表）；长度；读写信息用户区地址。33文件的读写Read/Write系统调用大致处理过程如下：核实参数，按fd获得文件读写状态信息表，获得活跃文件目录表中的FCB。核实操作许可。按FCB中定位信息将要读写的逻辑地址转化成物理地址。（如写，则将数据从用户区复制到系统区）将物理地址、内存地址、长度等参数填好，调用外存驱动程序进行I/O操作（如读，则将系统区数据复制到用户区）。347.5文件保护

文件可能发生两种破坏情形可靠性问题：系统死机等导致文件卷数据破坏，可以通过备份文件避免损失。文件保护问题：不正确的访问方式或非受权访问，可通过访问控制解决。357.5.1文件访问保护

口令创建文件时提供一个口令，存于FCB中，要对文件访问时，系统核对该口令。优点：容易理解，容易实现。缺点：1）由于口令简单，经常被内行人破译。2）口令也容易遗忘、记错。

加密保护将数据写入文件时，对写入数据加密，读出时进行解密。访问者必须提供密钥（特例：UNIX中password中的口令加密后写入，无需解密读出）。36

访问控制检查用户对文件的访问权限与本次访问是否一致。访问控制矩阵:一维列出全部用户，二维列出所有文件，Cij

值是i用户对j文件访问权限。

用户权限文件名ChenWangZhangLiA.cRERRWEB.cRWEREWC.cWWWED.cRWRRWEE.cRERRWR访问控制矩阵

37用户类

访问权限

owerRWE同组

RE其他

E

简化访问表：在文件中针对文件主、同组用户和其他用户给出访问权限。38计算机7.5.2文件备份批量备份全量转储：把全部文件定期复制到后备存储器上。增量转储：把上次转储以来改过的文件和新文件转储

同步备份镜像盘支持。在对磁盘写操作的同时，对称地写其镜像盘；双机动态文件备份：指用两台机器在文件写操作时完全对称地工作，保证当一台机器出错时，另一台机器还可以接着往下做。397.6文件系统的基本模型文件管理模块：负责文件的建立、删除、读/写、修改等，以及对文件目录结构和存储介质实施管理。一般地，OS的文件系统只提供读/写文件信息的支持而不解释其信息内涵，内涵由各读/写文件的应用程序去解释。文件系统的优点方便灵活：用户不用考虑文件在物理存储器上的存放。安全可靠：可进行访问限制，可进行文件数据备份与恢复。方便共享使用，可按名访问。40文件系统的