第6章文件管理

第六章文件管理

6.1文件和文件系统6.2文件的逻辑结构6.3外存分配方式6.4目录管理6.5文件存储空间的管理6.6文件共享与文件保护1文件系统概述计算机为什么需要文件？数量原因——内存无法保存大量信息时间原因——内存无法永久保存信息应用原因——内存无法方便实现共享文件系统的作用为应用程序提供逻辑抽象（虚拟机）为磁盘空间提供管理机制（资源管理器）文件系统概述2文件系统概述文件系统概述文件系统服务器文件结构定义文件访问控制安全、保护磁盘空间分配磁盘数据存取磁盘设备防护数据文件磁盘空间映射应用层观点：逻辑抽象物理层观点：空间管理3文件系统的功能目标文件系统功能目标概述用户观点：虚拟机的作用，如何用统一的形式展现各类文件？如何提供方便的文件操作接口？系统观点：如何与其他系统模块进行交互？如何实现并维护文件的逻辑体系和物理结构？如何设计并实现各种文件的操作接口？文件系统的功能目标统一管理文件的存储空间，实现存储空间的分配与回收提供方便的文件访问机制，实现对文件的按名存取向用户提供完整而方便的文件操作接口（如开/关、读/写、关闭等）提供对文件的安全保护和信息共享机制向下提供和I/O设备相一致的接口，向上提供用户需要的相关信息实现“合理”、“有效”的性能目标：文件系统的执行性能文件系统概述46.1文件和文件系统5文件的定义文件是具有文件名的一组相关信息的集合。文件名：通常由一串ASCII码或汉字构成文件的基本内容：可以由单个字节或多个字节构成文件的逻辑含义：由文件的创建者和使用者进行定义和维护文件必须便于存储、检索、共享广义的“文件”概念：所有可存储、提供信息资源的设备均可称为文件6文件的属性文件类型文件长度文件的物理位置文件的建立时间文件类型按照文件性质和用途划分：系统文件、用户文件、库文件按照文件中数据形式划分：源文件、目标文件、可执行文件按照信息保存的期限划分：临时文件、永久文件、档案文件按照文件的存取控制划分：只读文件、读写文件、只执行文件和不保护文件按照文件的逻辑结构划分：流式文件、记录式文件、结构化文件按照文件的物理结构划分：顺序文件、链接文件、索引文件Unix中的文件分类：普通文件、目录文件、特殊文件（设备文件）文件系统概述72.文件系统模型文件系统模型文件系统：操作系统中与文件管理有关的那部分软件以及被它们管理的文件和文件属性的集合8文件的使用创建文件：分配外存空间，建立相应目录项删除文件：删除目录项，回收存储空间读文件：查找目录项，将数据从外存读入内存写文件：查找目录项，外存将数据写入截断文件：放弃原有的文件内容设置文件的读/写指针：实现对文件内容的随机访问打开文件：将指定文件属性信息复制到外存，并返回相应指针关闭文件：从内存中删除指定文件属性信息96.2文件的逻辑结构从用户角度来看文件，研究文件的组织形式有结构文件（记录式文件）无结构文件101.有结构文件数据的组织分三级：数据项：用来描述一个个体的某种属性记录：由多个数据项集合形成，用来描述一个个体某方面相对完整的属性文件：多个记录的有序集合，用来描述一个群体某方面相对完整的属性记录式文件分类：按照记录的长度：定长和变长记录文件按照逻辑组织：顺序文件、索引文件和索引顺序文件11顺序文件一系列记录按某种顺序排列所形成的文件。串结构文件：按存入的先后次序进行排列顺序结构文件：按关键字的次序进行排列优点：批量存取效率高缺点：交互应用性能差12索引文件

为了提高变长记录文件的存取速度，为每一文件建立一张索引表，将文件中的记录号、长度和指向该记录的指针记入索引表中的文件组织形式。13索引顺序文件记录按顺序方式组织，每个文件也建立一张索引表，但只需为主文件的每一组记录的第一个记录设置一个索引表项。142.无结构文件（流式文件）由字符流构成的文件。其长度以字节为单位。对流式文件的访问，则是采用读写指针来指出下一个要访问的字符。文件：01……i……n-1读写指针156.3外存分配方式文件的物理结构：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外存的分配：以块为单位外存分配目标：有效利用外存空间、提高对文件的访问速度。外存分配方式：连续分配、链接分配、索引分配、混合索引分配16连续分配方式文件系统设计原理17012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址块数count02tr143mail196list284f62文件目录countftrmaillist18连续分配的优缺点分析优点分析简单易用：技术机制非常简单，易于实现和维护读取速度快：连续空间分配使得文件读取时磁盘工作量大大降低缺点分析文件不能动态增长：类似于“多道固定分区”存储机制如果分配硬盘空间时预留扩充空间则会造成浪费如果不预留扩充空间又使得文件扩容时必须重新分配空间不利于文件的插入和删除：技术机制简单但是效率低下易造成磁盘空间的“外零头”需要特定的程序负责“紧缩”磁盘空间何时使用连续空间分配？简单应用环境，已知文件数量和大小文件系统设计原理19链接分配文件系统设计原理20文件名始址末址jeep925文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-12521链接分配的优缺点分析优点分析磁盘空间利用效率很高,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缺点分析不利于文件的“随机访问”，依然需要进行“顺序存取”使用指针的方式会造成很高的可靠性和安全性风险指针占用磁盘空间，造成文件存取不便上层应用以“块”为单位读取内容，指针占用空间后导致一个逻辑块的内容无法被保存在一个磁盘块中链接表方式的改进内存保存链接表方式（FAT）缺点在于使用内存保存FAT时，会占用大量内存空间文件系统设计原理22显式链接分配方式23一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索引表中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块索引分配24012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目录Jeep19

91611025-1-1-11925优点：保持了链接结构的优点，又解决了其缺点：即能顺序存取，又能随机存取满足了文件动态增长、插入删除的要求能充分利用外存空间26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27012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目录Jeep19

91611025-1-1-11928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)中综合模式:I-Node方法，既适应小文件，也满足大文件需求29文件物理空间分配方式的总结文件系统设计原理连续分配链表方式索引方式存储介质磁带支持不支持不支持磁盘支持支持支持存取方式顺序＋随机存取顺序顺序＋随机存取空间利用效率较低，会产生外零头指针占用磁盘空间引起管理问题利用磁盘和内存，但效率很高应用环境分析最简单、最原始中间过渡阶段广泛应用30

UNIX文件系统将多种索引分配方式结合在一起，称作混合分配方式。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信息的物理块号（直接寻址）混合索引分配31

如果文件大于10块，则利用第11项指向一个物理块，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

UNIX中采用了三级索引结构后，文件最大可达16兆个物理块32图6-13混合索引方式331.基本概念文件控制块（FCB）：文件控制块是操作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（文件属性）文件控制块是文件存在的标志,与文件一一对应6.4目录管理34

文件控制块的内容：文件名，文件号，用户名，文件地址，文件长度，文件类型，文件属性，共享计数，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后访问日期，口令，文件逻辑结构，文件物理结构35文件目录：把所有的FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合目录项：构成文件目录的项目（目录项就是FCB）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存，这个文件就叫目录文件362.索引结点1)索引结点的引入图6-15UNIX的文件目录文件名索引结点编号文件名1文件名2……372、目录的结构文件系统设计原理381）一级目录结构为所有文件建立一个目录文件（组成一线性表）优点：简单，易实现缺点：限制了用户对文件的命名文件平均检索时间长限制了对文件的共享392、目录的结构文件系统设计原理402）二级目录结构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

目录分为两级：一级称为主文件目录，给出用户名，用户子目录所在的物理位置；二级称为用户文件目录（又称用户子目录），给出该用户所有文件的FCB412.两级目录优点：解决了文件的重名问题和文件共享问题用户名|文件名查找时间降低缺点：增加了系统开销422、目录的结构文件系统设计原理433.多级目录结构(1)目录结构图6-18多级目录结构3）多级目录结构（树型目录）44优点：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；提高文件检索速度；能进行存取权限的控制缺点：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45目录的其他实现方法哈希表算法：目录项信息存在一哈希表中搜索时根据文件名计算哈希值得到一个指向表中文件的指针其他算法：如B+树NTFS文件系统就采用了B+树46文件系统的实现文件系统布局如何划分磁盘空间——磁盘分区文件系统的技术实现文件的实现磁盘空间分配方案：连续、链接、索引目录的实现如何有效的保存文件名、文件属性和物理地址文件共享的实现磁盘空间管理以块为单位使用磁盘空间——对比存储管理中的“分页式”空闲块记录与磁盘配额限制文件系统的可靠性与性能保证文件备份与文件系统一致性高速缓存、块提前读、减少磁盘臂运动文件系统设计原理47文件系统的内部结构48文件系统的实现：创建一个文件的过程(1)存储属性(2)存储数据(3)记录分配情况(4)添加文件名到目录491.空闲表法

将所有空闲块记录在一个表中，即空闲表，其中每个表项对应一个空闲区，并登记有该空闲区的起始块号和块数等信息。2.空闲链表法把所有空闲区链成一个链空闲盘块链只适合离散分配空闲盘区链任何分配方式6.5文件存储空间的管理50图6-21位示图

3.位示图法514.成组链接法

1.空闲盘块的组织