操作系统文原理6

第六章

文件系统程序和数据以文件的形式保留在外存中。本章主要讨论文件的组织结构，共享与保护以及文件系统空间管理。6．1

文件和文件系统文件系统的功能实现按名存取文件的物理结构文件信息的检索文件的共享和保护文件组织形式数据项：最低级的数据组织形式。基本数据项：一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑单位。组合数据项：一个对象的若干个基本数据项的组合。记录：一组相关数据项的集合。文件：文件是一个具有符号名字的一组相关元素的有序集合。有结构文件（定长和变长文件）和无结构文件（流式文件）文件的常用属性文件类型文件长度文件的物理位置文件的存取控制文件的建立时间文件的类型按文件的性质和用途分为：系统文件，库文件，用户文件按文件中数据的形式分为：源文件、目标文件、可执行文件按组织形式分为：普通文件，目录文件，特殊文件按文件的存取控制属性分为：只读，读写文件、只执行文件。按文件的物理结构分类：顺序文件、链接文件、索引文件。文件系统OS中负责管理和存取文件信息的软件机构。负责文件的建立，撤消，存入，读写，修改和复制，还负责完成对文件的按名存取和进行存取控制。使用文件系统的优点使用的方便性数据的安全性接口的统一性文件系统模型用户（程序）文件存储空间的管理；文件目录的管理；逻辑地址到物理地址的转换；文件读、写管理；文件的共享与保护文件系统的模型对象及其属性说明：文件、目录和磁盘存储空间。对对象操纵和管理的软件集合：文件存储空间、目录的管理、从文件逻辑地址到系统物理地址的转换、对文件的读、写及共享，保护等。文件系统的接口：命令接口和程序接口。文件操作

对文件最基本操作：创建、删除、读、写截断、设置文件的读写位置。对文件“打开”和“关闭”OS对文件的一般操作步骤：1、检索文件目录，找到指定文件的属性及在外存上的位置；

2、对文件施加相应的读、写操作。

打开(Open)：指系统将指定文件的属性从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将表目的编号返回给用户。

关闭（Close）：将把相应的文件从打开文件表中的表目上删除掉。6．2

文件的逻辑结构

文件的逻辑结构（文件的组织）：从用户角度看到的文件组织形式，也就是它的记录结构，用户可以直接处理。它独立于文件物理特性。

文件的物理结构（文件的存储结构）：文件在外存上的存储组织形式，一般由操作系统决定和使用。它与存储介质有关，同时与外存的分配方式有关。逻辑结构的类型（记录式文件和流式文件）有结构文件：定长记录和变长记录记录的组织形式顺序文件、索引文件、索引顺序文件流式文件它是有序字符的集合，文件长度等于该文件所包含的字符数。顺序文件顺序文件是记录式文件串结构（连续结构）：按记录生成的先后顺序连续排列的逻辑结构。顺序结构：把文件中的键（关键字）按规定的顺序排列起来。使用各种查找算法可实现高效检索。存取方法顺➢wptr=wptr+L；R序0

存取法R记1

录的读写…➢定长：Rirptr=rptr+L；rptr变长记录不定长：rptr=rptr+Li；wptr=wptr+Li；rptr节保留该记L0

用一字录长度R0L1R1…LiRi

索引文件：为文件中所有记录建立一张索引表，每个记录对应一索引表项，用于记录该记录的

长度及指向该记录的指针（指向该记录在逻辑

地址空间的首址）

索引顺序结构：将顺序文件中所有记录分为若干个组；为顺序文件建立一张索引表，在索引表中为每组的第一个记录建立一个索引项，其中含有该记录的键值和指向该记录的指针。

直接文件：根据给定的记录键值，直接获得指定记录的物理地址。哈希（hash)文件：目前最为广泛的一种直接文件，它利用Hash函数将记录键值转换为相应记录的地址。6．3

外存分配方法外存分配方式：连续分配、链接分配、索引分配。连续分配（顺序文件）分配与回收分配：把一个逻辑上连续的文件信息依次存放在物理块中。回收：碎片整理问题。特点优点：顺序访问容易，能很快进行存取。缺点：要求有连续的存储空间；不便于记录的增，删操作；必须事先知道文件长度，不能动态增长，存在碎片问题。链接分配（串联文件）：文件被离散放到磁盘的盘块中。隐式链接在文件的目录中记录该文件的第一和最后一个盘块的指针，每个块中的指针指向文件的下一物理块号。优点：文件可动态增长，不需指明文件长度，便于增删记录，节约空间。缺点：只适合顺序存取，不宜于直接存取，查找效率低。由于设置链接字而破坏了物理信息的完整。改进：将几个盘块组成簇（cluster），以簇为位分配。显示链接将链接文件各物理块的指针显示地放在内存的一张链接表中。该表整个磁盘中设一张，表的序号为盘块号，在文件的FCB的物理地址中填写其链首指针所对应的盘块号。FAT（File

Allocation

Table）：文件分配表，整个磁盘设置一张，放在内存中。缺点：不能直接存取；FAT占较大内存空间。FAT和NTFS技术FAT12、FAT16，FAT32以及NTFS的文件分配基本上都是采用类似显示链接方法。1、FAT12：（每个表项占12bit）每个分区中都配有两张文件分配表FAT1和FAT2，在FAT的每个表项中存放下一个盘块号，而将文件的第一个盘块号放在自己的FCB中。整个系统有一张文件分配表FAT。在FAT的每个表项中存放下一个盘块号。簇：由一组连续的扇区构成，在FAT中作为一个虚拟扇区，大小一般是2n个盘块。FAT和NTFS技术2、FAT16：每个表项16位在FAT16中，每个簇中可以有的盘块数可为4、8、16、32、64FAT16和FAT32都不支持长文件名。3、FAT32：每个表项占32bit.在FAT32中，每个簇固定为4KB。FAT32比FAT16支持更小簇的更大的磁盘容量。同时支持长文件名。FAT和NTFS技术4、NTFSNTFS使用64位磁盘地址；可以很好支持长文件名，单个文件名限制在255个字符内，全路径名最长为32767字符；具有系统容错功能，提供数据一致性。NTFS以簇作为磁盘分配的基本单位，具有了与磁盘物理扇区大小无关的独立性。卷上簇的大小称为卷因子，为盘块的2n倍，最大64KB索引文件要求为每一文件建立一张索引表。每个表目指出文件逻辑记录所在的物理块号。特点：方便地进行随机存取；增加了索引表的空间开销，增加一次访问操作。单级索引（串联文件方式组织）多级索引（多重索引方式组织）综合组织方式（混合索引）把索引表的头几项设计为直接寻址方式，存放物理块号，后几项设计成多重索引。综合组织方式适用于顺序存取和随机存取。直接地址：

iaddr(0)

—

iaddr(9) 用于小于10盘块的文件一次间接地址：iaddr(10)大、中型文件二次间接地址：iaddr(11)三次间接地址：iaddr(12)大、超大型文件6．3

文件目录管理

一个文件的说明信息称为该文件的目录。用户向系统提供符号名，系统根据文件的符号名找到它的物理地址。

功能：实现文件的按名存取，实现符号名与具体物理地址之间的转换，文件的共享和保护。文件控制块和索引结点文件的组成：文件说明（FCB）和文件体。FCB即为文件的目录。文件与FCB一一对应，FCB的有序集合通常称为文件目录。一个文件目录也被看为一文件，称为一个目录文件。文件控制块（File

Control

Block）基本信息：文件名、物理位置、逻辑结构、物理结构。存取控制信息：存取权限使用信息：建立和修改的时间，当前使用文件的进程情况等。索引结点文件目录的缺陷：FCB中有许多信息与文件的查找无关。索引结点的引入目录：文件名和指向i结点的指针i结点：文件描述信息。文件名索引结点编号文件名1PTR1文件名2PTR2……磁盘索引结点：每个文件有唯一的磁盘索引结点。文件主标识：拥有文件的个人或小组的标识符。文件类型：正规文件、目录文件、特别文件。文件存取权限：各类用户对文件的存取权限。

文件物理地址：直接或间接的给出数据文件的盘块号。文件长度：文件的字节数。

文件连接计数：所有共享该文件的进程（用户）数。

文件存取时间：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内存索引结点（存放在内存中的索引结点）文件被打开后，系统要将磁盘索引结点拷贝到内存的索引结点中。索引结点编号：标识内存索引结点状态：该结点i是否上锁或被修改访问计数：使用该结点的进程数文件所在设备的逻辑设备号链接指针：空闲链表、散列队列指针单级目录（系统中只有一张目录表）目录内容：文件名、物理地址、其它属性。文件访问过程：直接查表创建和删除文件：直接修改目录表项存在的问题重名问题：别名问题：文件数量过多时，查找效率低。两级目录结构：系统由主目录（MFD）和用户目录（UFD）构成。文件的建立和文件的删除：文件的查找：主目录项+用户目录项树型目录多级树型目录结构（结点与目录）文件路径名（路径的唯一性）当前目录（工作目录）增加和删除目录（删除目录，同时要删除该目录下所有文件和目录的目录项，同时使上一级目录中对应的目录项为空）目录的查询技术过程根据文件名（全名）找到其FCB或索引结点；查找FCB或索引结点中的文件物理地址（盘块号），换算为物理位置；启动磁盘驱动程序，将文件读入内存。检索方法顺序查找法：二分查找法：Hash法：6．4

文件存储空间管理

系统应能自动地为用户分配存储空间，管理系统和用户的存储空间，实现按名存取。

文件存储空间的管理包括空闲块的组织分配和回收。空闲表空闲表把一个连续未分配区域称为“空闲文件”，系统为所有“空闲文件”单独建立一个目录。表目内容：序号，第一个空白块号，空白块个数。空间分配和回收序号第一空闲盘块号空闲盘块数124293--空闲链表法空闲盘块链（以盘块为链的基本单位）分配和释放顺序：从头分配，从尾回收。缺点：盘块链可能很长。空闲盘区链（以空闲盘块区为链的基本单位）分配：首次适应算法回收：分配和回收的过程较复杂，且存在拼接问题位示图为文件存储器存储空间建立一张位示图，用以反映整个空间的分配情况。简单，速度快，占一定的空间。盘块号与位示图行列的分配与回收的转换公式：成组链接法实现方法对所有的空白块从尾倒着向前分组，每

组的块数及相应块号记录在前一组的第一块中。(第一组99块，随后每组100块)，最后一组（不足100块）的数据登记在空闲盘块栈（卷资源表）中。第二组的0号单元的值仍为100，1号单元值为0

（文卷卷尾标志），表示无空闲块可分配。假定系统中有349块空闲盘块：其组织方式如下：分配和释放系统工作后，把磁盘文件卷的卷资源复制到内存指定区域。资源表中登记空闲块号的区域是一种栈结构。其中，记载总块数作为该空白块栈的指针ptr。分配时，ptr-1，然后取出对应项作为这次申请得到的物理块。如此下去，直到栈底。当ptr=0时，续入下一组的块号及总数，并把该块分配出去。当ptr=0，且相应此表目中的值为0时，表示遇到卷尾标志。当回收时，先登记块号，然后ptr+1，当填满一组后，再回收一块时，把前一组的内容记入该块内，置ptr=0，并把这一块的块号记入相应表目中。特点空白块号的登记不占用额外空间。

绝大部分分配和释放工作都在主存进行。把总块数作为空白块栈的指针使用，是理想的存储结构。效率高。6．5

文件共享早期共享方法绕道法（当访问内容不在本目录下，则每一次都要指明访问路径）连访法（链接法）

一个目录中的表目直接指向另一个目录表目，在要访问的表目之间直接建立一条链接。

在FCB中必须增加“连访属性”和“用户计数”项。基于索引结点的共享方法树型目录中文件共享的问题：将共享文件链接到两个用户的目录中。用索引结点实现文件共享指向相同的索引结点链接计数器count文件共享的过程基于索引的共享共享的链接过程利用符号链实现文件共享实现B共享C的文件F，由系统创建LINK类型的新文件（也命名为F），它包含被C的F文件的路径名（符号链），并写入B的用户目录中。

只有文件主才拥有指向索引结点的指针，其它共享用户通过路径名访问（可以解决指针悬空的问题）。问题

访问速度慢；链接文件也要建立索引结点；同一文件有不同的文件名，导致多个副本存在。6．6

文件存取控制文件保护文件保护机构的功能存取验证模块的基本任务审定用户的存取权限；比较用户存取权限和本次存取要求；比较本次存取要求和被访问文件的存取保护信息。保护域进程仅在保护域内执行操作，同时保护域指明了进程所能操作的对象。进程与域的关系：静态联系：可用资源集在进程的整个生命周期内是固定的，在该方式下，应允许修改域的内容。动态联系：可用资源集在其整个生命周期内是变化的。在该方式下，允许进程

在不同时期，从一个域切换到另一个域。访问（存取控制）矩阵实现方法用一个二维矩阵来实现存取控制，一维是所有的域（用户或进程），另一维列出全部文件。每个元素表示某一用户对某一文件的存取控制权限。访问（存取）控制表把有存取要求的用户按某种关系或工程项目的类别分为若干组，同时规定每组的存取权限，得到文件的存取控制表。访问权限表以用户或用户组为单位建立存取控制表，称为用户权限表。将一个用户（组）所要存取的文件名集中起来存入一张表中，每个表目指明用户对相应文件的存取权限。分级安全管理（一般分为4级）系统级防止用户非法进入系统：注册（系统管理员完成）、登录（用户完成）等。用户级用户分类的两种类型文件主、伙伴和一般用户。超级用户、系统操作员、用户和顾客。文件访问权限：建立(C)、删除(D)、打开(O)、读(R)、写(W)、查询(S)、修改(M)和父权(P)。目录级只有系统核心具有写目录的权利。保护系统目录，与用户权限无关。文件级通过对文件属性（8种常用属性）的设置，来控