2013秋季操作系统课件2007高教版

操作系统原理principlesofoperatingsystems2007年8月孟静制作2作者申明

本版内容的著作权为作者所有。因为教学目的使用本版内容时，请注明所用资料来自本网站或由本作者发送，并保留作者版权标记“2007孟静制作”。将本版内容用于其他目的前，须征得作者同意。2007年8月孟静制作3使用说明请注意充分利用各张胶片中的和，从而在相关胶片间快速跳换。有时胶片备注视图中会有内容，请注意。2007年8月孟静制作4操作系统原理第一章概论第二章CPU管理第三章内存管理第四章文件系统第五章设备管理第六章进程通信第七章分布式、并行和网络操作系统第八章性能和设计4.1文件系统概述4.2文件系统用户界面4.3文件的实现4.4目录的实现4.5文件子系统的实现4.6文件系统性能改善机制4.7文件系统实例分析4.8本章总结及有关文件系统模型第四章外存管理和文件系统2007年8月孟静制作6什么是外存（图4.1)OS外存管理功能的决定因素(图4.2)为什么OS外存管理功能又称文件系统(FS)本章的节划分（注意用户界面在本章中的重要性）第一节中的小节划分（图4.2）文件系统与设备管理功能的关系1.通常采用统一的接口2.文件系统中的低层物理操作调用I/O管理功能中的子模块来完成第四章外存管理和文件系统2007年8月孟静制作7图4.1存储层次2007年8月孟静制作8图4.2文件系统功能界面2007年8月孟静制作94.1.1外存硬件接口特性4.1.2用户对外存的使用要求4.1.3从文件定义看文件系统界面高度/工作任务4.1文件系统(FS)概述回章首2007年8月孟静制作104.1.1外存硬件接口特性4.1.1.1外存种类和结构、性能指标4.1.1.2外存I/O过程回节首2007年8月孟静制作114.1.1.1外存种类和结构、性能指标种类:硬软磁盘/磁带/光盘/磁鼓/纸带/卡片/磁光盘/光盘库

最早？最早磁？联机？脱机？现？古？本章重点？磁盘的可重写性和直接存取方式硬盘结构：盘片表面涂层、磁头、可重写。多维地址：盘面号(0或1)，磁道号，扇区号介质＋驱动＋控制一次访盘时间＝寻道时间＋延迟时间＋传送时间硬盘和软盘的区别：1.磁头的状态及工作2.与驱动设备的关系3.容量4.关于磁头故障外存性能指标:成本/容量/密度/速度/便携性/可写性(表4.1)2007年8月孟静制作12图4.3磁盘结构2007年8月孟静制作13表4.1外存性能指标在单独的WORD文件中2007年8月孟静制作14光盘库光盘库的基本结构 (1)光盘间架 (2)光盘驱动器 (3)换盘机构 (4)控制器光盘库用途存储大量的不常用又需要很快检索到的数据2007年8月孟静制作154.1.1.2外存的I/O过程端口地址（表4.2）接口寄存器数据输入输出寄存器状态寄存器(图4.5)主复位寄存器驱动器类型寄存器“选择控制器”寄存器DMA/中断请求屏蔽寄存器（图4.6）硬盘控制器命令与硬盘控制块DCB(表4.3)硬盘Ｉ／Ｏ过程（图4.4)2007年8月孟静制作16表4.2硬盘控制器端口地址2007年8月孟静制作17图4.5硬盘控制器状态寄存器2007年8月孟静制作18图4.6DMA/中断请求屏蔽寄存器2007年8月孟静制作19表4.3硬盘控制器命令块DCB格式2007年8月孟静制作20图4.6硬盘I/O过程2007年8月孟静制作214.1.2用户对外存使用要求:方便/效率/安全具体要求（5点）：1.不要使用物理地址和物理操作2.存取速度快、容量大、空间利用率高3.存放的信息安全可靠4.方便共享/动态扩缩/携带拆卸/了解使用情况5.最小代价对第一点的分析：1.不同的惯用寻址单位及对它们的惯用操作2.不同的数据层次通常符合“某类信息集合、记录、数据项、基本符号”的通用层次对应“实体集、实体、属性（基本符号）”的现实层次回节首2007年8月孟静制作224.1.3从文件定义看FS界面高度/工作任务4.1.3.1文件的本质定义4.1.3.2数据层次总述回节首2007年8月孟静制作234.1.3.1文件的本质定义文件特性:文件内容划分完全由用户根据应用要求确定放入文件到下次修改，文件内容的连续顺序关系确定文件的用户观点文件是操作系统提供的、在用户观点中其内容具有连续顺序关系的最大外存逻辑数据空间理解定义注意四点：1.“连续顺序特性”2.“最大”（图4.7）3.“空间”4.“由操作系统提供的”2007年8月孟静制作244.1.3.2数据层次总述 (图4.7数据层次图) (表4.4数据层次中各层软件的分工对比)OS外存管理提供逻辑地址：“路径名+某种形式的文件内位移(线性位移，记录号，记录值等)”逻辑操作：读/写/增/删数据库和应用程序的作用2007年8月孟静制作25图4.7数据层次图2007年8月孟静制作26表4.4各层软件的分工对比2007年8月孟静制作274.2.1文件级界面4.2.2目录级界面4.2.3文件子系统级用户界面4.2操作系统外存管理功能的用户界面回章首2007年8月孟静制作284.2.1文件级界面：文件的属性及操作属性:文件名/文件主/访问权限及文件类型/文件长度系统调用:删除文件√删除文件中间部分内容×打开和关闭文件的操作当前读写指针其他机制(通配符机制)回节首2007年8月孟静制作29打开和关闭文件典型程序段

fd=open(fname)dowhile.not.eof()read(fd,length,destination)...enddoclose(fd)2007年8月孟静制作30文件当前读写指针机制使用后read(fd,length,destination)write(fd,length,source)不使用read(fd,beginaddressinfile,length,destination)write(fd,beginaddressinfile,length,source)专门改变文件当前读写指针的系统调用

seek/lseek(fd,newpointer)2007年8月孟静制作314.2.2目录级界面1.目录、单级目录、多级目录（目录树）2.链接：硬链接、软链接或符号链接回节首2007年8月孟静制作321.目录、单级目录、多级目录(目录树)图4.8多级目录机制与图书馆分类编目机制极像多级目录机制的特点:(1)反映介质上的文件及文件的分类关系(2)用树状结构表示该多级分类机制(或用以树状结构为基础的非环路有向图结构)(3)使用户在查看、拷贝、删除文件更方便快捷一组目录操作:(1)查看子目录内容(2)建删子目录(3)设置当前子目录当前目录机制文件夹（folder)2007年8月孟静制作33图4.8多级目录机制与图书馆分类编目机制极像2007年8月孟静制作344.2.2.2链接:硬链接、软链接或符号链接1.为什么需要链接（链接的作用/好处）2.硬链接与软链接（符号链接）2007年8月孟静制作351.为什么需要链接（链接的作用/好处）满足共享需要的办法:(1)物理拷贝——多处存储和出现(2)只在一处存储和出现(3)链接——一处存储而多处出现链接的好处:①避免重复存储、数据不一致性②不必共享使用时写路径名③用户可给共享文件自由命名④提供共享文件使用的灵活性、适应性、兼容性⑤使用户程序能根据当次运行时的调用名决定当次运行的工作方式2007年8月孟静制作362.硬链接与软链接（符号链接）硬链接的优点：实现简单、访问速度快

使用限制：只允许文件链接只允许在同一文件系统内进行文件主删除限制不合理的记帐规则软链接的优点：适用范围和灵活性大允许目录链接允许在不同文件系统间进行文件主自由删除合理的记帐规则2007年8月孟静制作37实例：各实际OS是否提供链接技术

DOS×Windows√（快捷方式）Unix√（硬链接/软链接）用户程序cc在运行时要用到目录/lib下的文件mad，但后来包括mad在内的一些文件稿被整理到/usr/lib下，为使cc正常运行，应使用

ln/usr/lib/mad/lib2007年8月孟静制作384.2.3文件子系统级用户界面1.文件子系统（卷）的概念2.文件子系统的建立3.文件子系统的安装与使用4.逻辑驱符、逻辑分区、逻辑盘5.NT卷集与带区集回节首2007年8月孟静制作391.文件子系统（卷）的概念特性：该区域的空闲空间信息也存放在该区域内该区域中所有文件的属性信息、所有目录信息也存放在该区域内总之，文件子系统是一个外存区域内的所有空闲空间信息、所有文件和目录及其属性信息的一个闭体操作系统、文件系统、文件子系统间的关系2007年8月孟静制作40图4.9一盘多分区2007年8月孟静制作412.文件子系统的建立格式化盘（DOS为例）

软盘：format一步完成硬盘：(1)执行低级格式化程序(2)运行fdisk命令 (3)执行format命令（高级格式化）2007年8月孟静制作423.文件子系统的安装与使用(1)DOS：物理安装/启动区、启动盘/驱符（联机文件子系统）/卷标/每盘一棵独立的目录树(2)Unix：先安装后使用/驱符×/只有一棵目录树特性：(1)根文件子系统的树根(2)其他文件子系统(图4.10)(3)“以某目录为根”(4)卸下文件子系统(3)DOS和Unix在文件子系统使用界面上的比较2007年8月孟静制作43UNIX盘装卸例安装:%ls/user/elephant/d1f1txt1dddwa%mount/dev/fd0/user/elephant/d1%ls/usr/elephant/d1hahawawara卸下:%ls/usr/elephant/d1hahawawaraha%umount/dev/fd0%ls/user/elephant/d1f1txt1dddwa2007年8月孟静制作44图4.10将软盘子系统安装到根目录下2007年8月孟静制作454.3文件的实现表4.5本章讨论层次与节目划分4.3.1连续分配背景下的讨论4.3.2不连续分配背景下的讨论4.3.3各种分配策略在实际系统中的采用情况和综合优化情况 (表4.7)回章首2007年8月孟静制作46表4.5本章讨论层次与节目划分2007年8月孟静制作474.3.1连续分配背景下的讨论连续分配策略(图)基本操作流程分析读(图4.11,4.12)/写操作(图4.13,4.14)效率分析与管理信息总瞰(图,表4.6)主要数据结构设计(图4.15)文件描述信息/盘卷总信息/内存盘卷总信息/内存文件描述信息外存空闲空间信息(位图或位向量/链表(图)/分组链接/计数)/内存缓冲区/工作过程和存取次数分析例(图4.16/17)连续分配的实现策略和评价回节首2007年8月孟静制作48图连续分配2007年8月孟静制作49图4.11读操作实现步骤2007年8月孟静制作50图4.12缓冲在读操作中的作用2007年8月孟静制作51图4.13写操作实现步骤2007年8月孟静制作52图4.14缓冲在写操作中的作用2007年8月孟静制作53图管理信息总瞰2007年8月孟静制作54表4.6对管理信息的要求2007年8月孟静制作55图4.15连续分配数据结构小结2007年8月孟静制作56图4.16文件打开过程例析2007年8月孟静制作57图4.17读文件过程例析2007年8月孟静制作58图以链表形式登记盘空闲空间2007年8月孟静制作59连续分配的实现策略和评价好处:文件存取简单迅速难处:分配空间(大量或动态扩缩)外部碎片2007年8月孟静制作604.3.2不连续分配背景下的讨论回节首2007年8月孟静制作61第一版4.3.2.1链接定位链接定位算法(第一版图4.21)实现(第一版图4.22,4.23)评价优点:解决了外部碎片、文件长度说明问题缺点:直接存取效率低、可靠性问题、磁头移动多变种(第一版图4.24DOS的FAT表,图4.25,4.26)2007年8月孟静制作62第一版图4.21链接定位2007年8月孟静制作63第一版图4.22链接定位数据结构总图2007年8月孟静制作64第一版图4.23链接定位下的读文件过程2007年8月孟静制作65第一版图4.24DOSFAT表2007年8月孟静制作66第一版图4.25FAT模式数据结构总图2007年8月孟静制作67第一版图4.26FAT模式下的读文件过程2007年8月孟静制作68第一版4.3.2.2索引定位(图4.16)一重索引的链接模式多重索引的特点:(1)直接访问(2)内部碎片(3)文件最大长度与索引实现模式的效率间的负面影响综合模式(图4.17) 优点:(1)直接指针(2)可变级数的多级指针三种模式的不同处2007年8月孟静制作69表4.7不连续分配时文件内地址映射方案2007年8月孟静制作70UNIX/linux/Windows采用的方案这三OS都用“直接指针+可变重数的多重索引”的文件内地址映射方案，该方案有以下特点：1。索引定位2。设备目录与文件目录分离（索引主体分离）3。多重索引4。可变重数的多重索引5。直接指针2007年8月孟静制作71图4.18UNIX文件地址映射过程与结构2007年8月孟静制作72表4.8各种分配策略总结比较2007年8月孟静制作734.4目录的实现4.4.1目录树结构的实现：目录文件4.4.2硬链接的实现:设备目录与文件目录分离4.4.3符号链接的实现回章首2007年8月孟静制作744.4.1用目录文件实现目录树结构

需要多张目录表来反映多级目录下文件与目录的从属关系，每个目录（根/子）对应一张目录表(图4.19)目录个数不定，每个目录下的文件与子目录个数不定，且变化幅度不定目录文件：借用文件长度变化解决方案（文件内地址映射机制），统一解决所有不定长、不定数问题。(图4.20)回节首2007年8月孟静制作75图4.19多级目录需要多张目录表2007年8月孟静制作76图4.20目录文件2007年8月孟静制作77图DOS目录机制2007年8月孟静制作784.4.2:硬链接实现:设备目录与文件目录分离问题：当允许一个文件属于多个目录时，单纯的目录文件机制会导致空间浪费或不一致性问题。解决：设备目录与文件目录的分离(图4.21)例析：UNIX(图4.22,4.23,第一版4.51)对硬链接内部实现机制的评价回节首2007年8月孟静制作79图4.21设备目录与文件目录的分离2007年8月孟静制作80图4.22UNIX文件打开过程2007年8月孟静制作81图4.23UNIX硬链接实现机制2007年8月孟静制作82图4.24UNIX符号链接实现机制实现机制导致符号链接与硬链接相比：开销较大，访问速度较慢符号链接文件与被链文件之间无相互影响（例如删除操作）可以用于目录和网络所存储的路径名空间效率分析注意相对路径名的参照位置对符号链接文件本身的操作：readlink,lstat,lchown4.4.3符号链接的实现(以Unix为例)回节首2007年8月孟静制作83图4.24UNIX符号链接实现机制2007年8月孟静制作84

1。1文件子系统实现机制总述

2。UNIXs5文件子系统实现机制

4.5文件子系统的内部实现机制和原理回章首2007年8月孟静制作854.5.1文件子系统实现机制总述文件子系统内部实现机制的任务: 1.登记 2.实现相关的地址映射 3.实现文件子系统的建立、装卸等操作 4.对于支持多种不同类型文件子系统的操作系统……图4.25文件子系统内部实现机制通览回节首2007年8月孟静制作86图4.25文件子系统实现机制通览2007年8月孟静制作874.5.2DOS/Windows家用版文件子系统实现1.DOS(Windows95、3.X)的“文件子系统安装”2.DOS(Windows95、3.X)的“文件子系统定位”（图4.36）3.DOS(Windows95、3.X)的“文件子系统拆卸”参考图4.48/49DOS文件系统实现机制总瞰回节首2007年8月孟静制作88图4.36Windows/DOS文件子系统定位2007年8月孟静制作894.5.2UNIXs5文件子系统实现机制图4.26UNIX文件子系统安装图4.27UNIX文件子系统定位参考图4.37/38回节首2007年8月孟静制作90图4.26UNIX文件子系统安装2007年8月孟静制作91图4.278UNIX文件子系统定位2007年8月孟静制作924.6.1物理地址与存取单位的优化4.6.2文件的打开与关闭技术4.6.3文件共享4.6.4内存缓冲区与缓冲池4.6.5磁臂调度

4.6文件系统性能实现机制回章首2007年8月孟静制作934.6文件系统性能改善机制改善访盘速度：(1)减少访盘次数避免重复访盘*内存盘卷总信息数据结构(4.38，第一版图4.49)*目录缓冲结构、当前目录结构*文件打开表*缓冲池增大访盘单位长度(2)减少每次访盘时间2007年8月孟静制作944.6.1物理地址与存取单位的优化扇区逻辑块物理地址形式： 盘面号，磁道(筒)号，扇区号 ——三维的扇区数组组块解块回节首2007年8月孟静制作954.6.3文件共享1.五种不同程度的共享2.UNIX中的文件共享(1)文件主与存储权限 (2)硬链接与符号链接 (3)文件的内存打开信息结构一分为三(图4.28) (图4.29,4.30)3.一致性语义回节首2007年8月孟静制作96图4.28UNIX内存中文件打开信息结构2007年8月孟静制作97图4.29UNIX不共享指针的文件共享2007年8月孟静制作98图4.30UNIX共享指针的文件共享2007年8月孟静制作99一致性语义2007年8月孟静制作1004.6.4内存缓冲区与缓冲池缓冲池(多重缓冲技术)文件关闭回写磁盘镜像回节首2007年8月孟静制作1014.6.5磁臂调度技术磁臂调度(1)先来先服务调度算法(图4.31)(2)最短搜索优先调度算法(图4.32)(3)电梯算法及变种(图4.33,4.34,4.35,4.36)(4)磁臂调度算法的选择因素回节首2007年8月孟静制作102图4.31FCFS2007年8月孟静制作103图4.32SSTF2007年8月孟静制作104图4.33扫描（电梯）2007年8月孟静制作105图4.34扫描2007年8月孟静制作106图4.35循环扫描2007年8月孟静制作107图4.36C-LOOK2007年8月孟静制作1084.6.7其他技术概述扇区排队解决扇区连续读带来的问题：交叉编号预读磁道缓冲外存空间分配算法磁盘阵列、磁盘条块化、磁盘交叉存取、分块回节首2007年8月孟静制作1094.6.8文件系统安全性和可靠性文件保护系统可靠性磁盘阵列廉价冗余磁盘阵列(RAID)技术回节首2007年8月孟静制作1104.7文件系统实例分析4.7.1Unix文件系统4.7.2Linux文件系统4.7.3

Windows文件系统回章首2007年8月孟静制作1114.7.1Wndows家用版/DOS:FAT 图4.25,4.30,4.48,4.49特点:目录树结构不允许一个文件属于多个目录驱符FAT16模式回节首2007年8月孟静制作112图4.48DOS文件系统实现机制总瞰粗2007年8月孟静制作113图4.49DOS文件系统实现机制总瞰细2007年8月孟静制作1144.7.1Unixs5文件系统 (图4.37,4.38,4.39)回节首2007年8月孟静制作115图4.37UNIX文件系统实现机制总瞰粗2007年8月孟静制作116图4.38UNIX文件系统实现机制总瞰