操作系统文件管理

第八章文件管理§8.1文件与文件系统8.2文件的结构及文件存取方式8.3文件管理8.4文件的共享和保护§8.1文件与文件系统所有的计算机应用程序都要：存储信息，检索信息三个基本要求：能够存储大量的信息长期保存信息可以共享信息§8.1文件与文件系统解决方法：把信息以一种单元，即文件的形式存储在磁盘或其他外部介质上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§8.1文件与文件系统用户观点：文件系统如何呈现在其面前：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)等等一、文件§8.1文件与文件系统1、文件计算机系统中数据的一种组织形式，具有一定名称的一组相关信息的集合，通常存储在外部存储介质上。文件是一个抽象机制，它提供了一种把信息保存在存储介质上，而且便于以后存取的方法，用户不必关心实现细节。§8.1文件与文件系统2、文件名每个文件都有一个文件名，用户按名存取，通过文件名来存取文件，而不必关心文件的具体存储方法、物理位置。各种文件系统的文件命名规则不同：文件名长度（DOS8.3,NTFS可达255,ext2无限制）是否区分文件名大小写（FAT不区分,ext2区分）大多规定只能用ASCII字符命名文件，而NTFS就可以使用更广泛的Unicode。对文件名后缀有特定的解释（DOS、Windows），UNIX则无统一的规定。§8.1文件与文件系统3、文件属性一个文件包括2部分：文件体即文件的内容文件体的内容丰富，可以是源程序、可执行代码、数据、表格、语言或图像等。文件属性关于文件本身的说明信息不同的文件系统有不同的文件属性，常用的文件属性有：文件名文件最基本属性文件物理位置哪个设备、什么位置文件存取权限多用户系统中用，Linux中rwx。文件长度字节文件时间初创时间、最后修改时间等

......§8.1文件与文件系统4、文件类型按性质和用途区分：

—系统文件：系统程序，用户只有执行权

—库文件：标准子程序组成库文件，用户可调用

—用户文件：用户开发的软件按保护性质区分：

—只读文件

—读写文件

—可执行文件按文件管理方法和内容区分：

—普通文件：是无结构的字符的集合。

—目录文件：由文件的目录项组成的文件。

—特殊文件（设备文件）UNIX等把设备作为文件二、文件系统§8.1文件与文件系统即文件管理系统，是操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用。由以下三者构成的总体对文件进行操作和管理的软件被管理的文件文件管理所需要的数据结构（目录、索引表等）§8.1文件与文件系统文件系统功能：(1)统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收(2)实现文件的按名存取名字空间映射存储空间(3)实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措施(4)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）§8.1文件与文件系统(5)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程度上取决于对文件系统的使用效果.(6)提供与I/O的统一接口§8.2文件的结构及文件存取方式一、文件结构

文件结构：以什么样的形式组织一个文件文件有两种结构：逻辑结构：从用户观点出发观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，独立于文件的物理特性物理结构：从系统存储角度组织的文件结构，即文件以什么形式存放在外存中§8.2文件的结构及文件存取方式文件的逻辑结构有2种形式：字符流式文件:无结构文件以字符为操作对象文件内容仅是有序的字符集合，其内部并不对内容进行特定的组织记录式文件有结构文件文件由若干个相关记录组成。用户把每个文件划分为若干个记录单位，存取文件时以记录为单位来进行。（数据库文件最为典型）1、文件的逻辑结构从用户角度看文件，研究文件的组织形式§8.2文件的结构及文件存取方式2、文件的物理结构文件在外存中的存放形式，即为文件的物理结构常用的外存分配方式有3种：顺序结构串联结构索引结构§8.2文件的结构及文件存取方式1）.顺序结构最简单方式。每个文件在磁盘上占据一个完整并连续的空间。对于这类文件，每个文件空间是连续的。

目录文件名起始地址文件长度hello.c22a1.c95a.out2130151631§8.2文件的结构及文件存取方式优点：实现简单，存取速度快。缺点：建立文件时要为它分配连续地址空间，较难实现；文件动态增长困难；反复增删以后，磁盘碎片多,只适用于长度固定的文件。§8.2文件的结构及文件存取方式2）.串联结构（链接结构）文件存放在硬盘的不连续的物理块中，并在每一块中包含一个指针，指向下一个物理块所在的位置，最后一块的指针值是“-1”，表示文件到此结束。这些指针对用户是透明的。在这种文件系统中，目录项通常包括文件名、文件的起始块号和结束块号。5-11025419目录文件名起始地址结束地址hello.c24hello.c共占6块

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40153116§8.2文件的结构及文件存取方式DOS文件系统采用这种方法。优点：无外部碎片；每一个空闲块都能用来分配只要有空闲块存在，文件的增长很容易实现缺点：须多次读写磁盘，寻找盘块；指针要占用空间。§8.2文件的结构及文件存取方式DOS文件系统采用的串联结构—FAT…文件名：A首簇号：13……161815FFF…1213141516171819FAT…………数据区簇号：

12131415161718目录表文件A占用了外存的13、16、15、18共四个簇目录指出了文件首簇号FAT指出了文件链接路径两者结合表明了文件数据的具体存放位置文件链接结束标志§8.2文件的结构及文件存取方式3）.索引结构文件存放到硬盘的不连续的物理块中，系统为每个文件建立一个索引表。其中按物理块的存放顺序记录了这些物理块号。其目录可包括文件名、文件索引块的地址。0151631盘块20存放索引文件，其内容：2、7、13、16、27、-1hello.c占用了5块20目录文件名索引地址hello.c20§8.2文件的结构及文件存取方式优点：避免外部碎片；文件增长不受限制；支持对任何一个文件块的直接访问。缺点：多了索引块，则增加了系统空间开销；存取文件需要2次访问外存（先读取索引块，再读取具体的数据块），增加了时间开销，降低了文件存取速度。§8.2文件的结构及文件存取方式直接寻址a：一级间址文件数据块…………一次索引块二次索引块三次索引块……abcb：二级间址c：三级间址一次索引块一次索引块二次索引块UNIX多重索引结构§8.2文件的结构及文件存取方式二、存储介质磁带，磁盘，光盘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§8.2文件的结构及文件存取方式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存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或用于传递数据的介质第i块间隙第i+1块§8.2文件的结构及文件存取方式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磁道扇区§8.2文件的结构及文件存取方式柱面扇区磁臂磁头§8.2文件的结构及文件存取方式信息记录在磁道上，多个盘片，正反两面都用来记录信息，每面一个磁头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§8.2文件的结构及文件存取方式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，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）§8.2文件的结构及文件存取方式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（柱面）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磁盘调度：根据用户磁盘I/O指令指定的柱面位置，来决定请求执行顺序的调度。目标：尽可能减少寻道时间，即减少移动臂的移动距离。磁盘调度策略：先来先服务（FCFS）策略最短服务时间优先（SSTF）策略扫描（SCAN）策略（电梯策略）循环扫描（CSCAN）策略（单向扫描策略）例：请求顺序：98,183,37,122,14,124,65,67最短服务时间优先策略：把距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象。扫描策略：按移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次的调度对象。如果该方向上已经没有I/O请求，则改变方向再做选择。循环扫描策略：从0柱面开始往里移动移动臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面，然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速回到0柱面，又开始下一次扫描。0143753656798122124183初始位置先来先服务策略以I/O请求到达的先后作为磁盘调度的顺序例：假定读/写磁头开始位于53号柱面，开始调度时有若干进程提出如下柱面的I/O请求：

98,183,37,122,14,124,65,67458514685108110592经计算共滑动了640个磁道；移动臂里外来回振动，效率低下。先来先服务策略优缺点优点对各进程是公平的缺点（1）随机访问模式，无法对访问进行优化（2）平均寻道距离较大，响应时间高，降低设备服务的吞吐量适用于访问请求不是很多的情况。最短服务时间优先策略把距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象98,183,37,122,14,124,65,67经计算共滑动了236个磁道；效率明显好于先来先服务调度算法最短服务时间优先策略优缺点优点与FCFS相比，系统设备吞吐量高，响应时间低缺点对用户请求的访问机会不是均等的，对中间磁道服务好，内外两侧磁道服务差，导致响应时间幅度变化很大。

扫描策略（电梯策略）电梯工作模式：电梯保持按一个方向移动，直到在那个方向上没有请求为止，然后改变方向。磁盘的电梯策略：（1）按移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次的调度对象。如果该方向上已经没有I/O请求，则改变方向再做选择（2）该算法与移动臂当前移动方向有关，移动结果路线有2个答案：由里向外、由外向里电梯策略（由里向外）经计算共滑过了208个磁道电梯策略（由外向里）经计算共滑过了299个磁道电梯策略优缺点优点由于优先考虑磁头的当前移动方向，基本克服了SSTF的缺点，吞吐量大，平均响应时间较小缺点由于是摆动式的扫描，两边磁道被访问的频率仍然低于中间磁道循环扫描策略从外向内移动移动臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面，然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速回到0柱面，又开始下一次扫描快速返回0号柱面经计算共滑过了350个磁道循环扫描策略特点对扫描策略（电梯策略）的改进，进一步减少响应时间。在磁盘访问负荷较小的情况下，SCAN是最好的，而在中等以上负荷的情况下，CSCAN策略效果最佳。§8.2文件的结构及文件存取方式硬盘又分为两种：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§8.2文件的结构及文件存取方式4.光盘光盘容量大，速度快，价格便宜，但一般不可写可读写光盘驱动器价格贵，写过程很麻烦光盘的空间结构与磁盘类似§8.2文件的结构及文件存取方式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、安全§8.2文件的结构及文件存取方式(1)在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻辑地址和逻辑操作(2)存取速度尽可能快，容量大且空间利用率高(3)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(4)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(5)以尽可能小的代价完成上述要求§8.2文件的结构及文件存取方式三、存取方法顺序存取：后一次存取总是在前次存取的基础上进行的。每次存取不必给出存取开始的位置。随机存取：每次存取操作都要指定存取操作的开始位置。§8.2文件的结构及文件存取方式存储介质磁带磁盘物理结构连续连续链接索引存取方式顺序存取顺序顺序顺序随机随机§8.3文件管理一、文件控制块FCB一个文件包括2部分：文件数据（内容）；文件的说明信息，即文件属性。文件属性包含有：文件名、长度、存放地址、建立日期等等。文件系统管理控制文件就依赖于文件属性。§8.3文件管理文件控制块（FCB）：OS文件系统为描述和控制文件所设置的数据结构，文件控制块中记录着对应文件的文件属性。每个文件都有其对应的文件控制块。一批文件控制块的有序集合形成一个文件目录;目录中每一个目录项就是一个文件控制块。OS把文件目录作为文件处理，即目录文件§8.3文件管理文件控制块的内容：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§8.3文件管理DOS的文件控制块Windows98与MS—DOS属于同一种文件系统，称DOS文件系统，采用相同的目录结构。其每一个文件的目录表项，即文件控制块的结构如下，每个文件占32个字节：文件名扩展名属性未用未用读写日期

时间日期簇号长度0781011121516181920212223242526272831§8.3文件管理文件名（8字节）：左对齐扩展名（3字节）

：左对齐时间、日期：建立或最后修改日期簇号

：起始簇号，即文件存放起始地址，2字节（0200表示起始簇号为0002H）文件长度(4字节)

：文件实际长度。低位在前、高位在后（12345678即78563412）§8.3文件管理文件属性：1字节例：03H（00000011）只读、隐含文件

10H（00010000）目录文件

04H（00000100）系统文件

待归档子目录

系统隐含只读

76543210§8.3文件管理二、文件目录文件的文件控制块（FCB）的集合即形成了文件目录。其