文件管理课件

第5章文件管理

■文件系统概述

■文件的结构和存取方式

■文件目录

■文件存储空间的管理

■文件的使用、共享与保护

■文件系统的性能问题

5.1.1文件的概念

外存中具有符号名的一组有逻辑意义的信息项

的集合。

指os中管理文件的那一部分软件。它负责管理

文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共

享和保护手段，并为用户提供一整套方便有效

的文件使用和操作方法。它在OS接口中占比例

最大，是I/O系统的上层软件。文件系统面向用

户的主要任务是实现文件的“按名存取”。

5.1.2文件分类

■分类角度多。比如，可按文件的用途、文件中

数据的形式、存取控制属性、文件信息的保存

期限、文件的逻辑结构、文件的物理结构等进

行分类。

■UNIX系统将文件分为三类：

普通文件（包括用户的ASCH或二进制文件）；

目录文件；

特殊文件（设备文件，管道，套接字，符号链

等）

5.2文件结构与存取方法

文件的结构指文件中信息的配置和构造方式，有逻辑结

高和物理结构之分。

1.文件的逻辑结构

■用户眼中文件信息的组织形式叫文件的逻辑结构。它

包括记录式文件和流式文件两种，每种文件信息的逻

辑单位分别是记录和字符。

■UNIX系统视所有文件的逻辑结构为无结构的流式文

件

■早期有结构的记录式文件又分定长和不定长两种，流

式文件可看作特殊的定长记录式文件

■文件的逻辑结构与文件的存储介质无关

2.文件的物理结构

■系统眼中文件信息的组织形式叫文件的物理

结典。它包括顺序文件、链接文件、索引文

件二种（实为连续文件与不连续文件两大类）

■文件的物理结构也叫文件的存储结构，指文

件在外存上的存储组织形式，它与存储介质

的性能和外存的分配方式有关

■顺序文件：文件的信息存放在若干连续的物

理块中。特点:实现简单，顺序存取速度快，

但分配慢，外存碎片多（似内存的可重定位可变分

区分配）

磁盘空间连续分配产生顺序文件:

磁盘空间

文件目录

n口fD

n口E文件名始址块数

n□口

ncount02

茴

D口tr143

运

mailmail196

远口口近

list284

近远远因f62

[24]QQ

list

画画画画

■链接文件：一个文件的信息存放在若干不

连续的物理块中，各块之间通过指针连接。

特点：提高了磁盘空间利用率，不存在外

部碎片问题，有利于文件长度动态变化，

但存取速度慢（不适合随机存取，寻道时

间长），可靠性差，指针占空间。

■链接文件按链接指针的不同实现又分为隐

式链接文件和显式链接文件，MSDOS、

Windows中采用的是后者，其FAT和簇的

概念是传统链接结构的变形

磁盘空间链接式分配产生链接文件:

―文件目录

磁盘空间I文件名始址末址I

0110%23jeep925

4D6^7Q_________I~

8口，或o西u口;

120(^0140isnj

16击17口曲•口19口­：

20O21Cj22n23Q,j..............

24125立12627

28293031

■索引文件：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索引表，

并将这些物理块号存放在其中

■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

■索引表组织:单级索引、多级索引、Hash索引。

UNIX文件系统采用多级索引结构

■特点：既能顺序存取，又能随机存取，支持文

件长度动态变化，外存利用率高，但索引表需

占额外空间。

磁盘空间索引式分配产生索引文件:

文件目录

023

4567

11

立

HUIM远近

[2g[29][30]SI

一次间接地址块物理块

gUNIXSystemV

采用多级混合

物理块

一次间接块索引方式

十

个二次间接块

直

®<

地

址

项

二次间接块

索引结点中的

13个地址项

设每个盘块4kB,每个盘块号4B,则米用

3次间址可表示的文件最大长度为：

4T+4G+4M+40K(B)

3.文件的存取方式

当今OS支持的文件存取方式主要有顺序存取和

随机存取两种。

对文件中的信息按逻辑顺序进行读/写的存

取方式称顺序存取

■随机存取

对文件中的信息按任意顺序进行读/写的存

取方式称随机存取

■早期系统中记录式文件所对应的第三种存取

方式—现在多见于DBMS中

4.文件的存储介质

磁带，磁盘，光盘，优盘，……

■以块为单位进行信息的存储、传输、分配

■磁带：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，现在主要用于后备存储。

■磁盘：可编址的随机存取设备，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。

■光盘、优盘：可移动磁盘的改进、变形物。

5.文件结构、文件存取方式与文件存储介质的关系

文件的存取方式不仅与文件的结构有关，还与

文件所在存储介质的性能有关，如下表所示:

存储介质磁带磁盘

物理结构顺序结构顺序链接索引

顺序顺序顺序

存取方式顺序存取

随机随机

问题1：上表内容完全正确吗?

问题2：磁盘上的不定长记录式顺序文件适合随

机存取吗？

6文件存储空间的管理

1.分配方式

当今OS几乎都采用离散分配方式（似内存分

页），以节省外存空间。采用链接分配法导

致链接文件，如MSDOS；采用索引分配法

将形成索引文件，如UNIX。UNIX仅对其对

换区采用连续分配方式，以加快对换过程。

2.分配算法

似首次适应法的扩充（即顺序查找分配法）

3.分配算法用的主要数据结构（即描述外存空

间使用情况的几类不同的数据结构）

⑴空闲区表/链

■将所有空闲区记录在一个表/链中。适合连续分配。如

今少用

⑵空闲块链

■把所有空闲块链成一个链。适合离散分配，今DOS、

Windows等用之

■扩展：①不断地适度地增加块尺寸。从最早的

512BnlKBn2KB=>4KBn8KBn16KBn32KBn

64KBoFAT16支持的最大簇为32KB,FAT32支持的最大簇

为16KB,NTFS支持的最大簇为64KB（请思考FAT12、

FAT16与FAT32之间的区别）②成组链接法，链上每个节

点记录1组空闲块。适合大型文件系统，分配、释放快，链

本身短，占空间少（除首组外均隐藏在空闲块中）。UNIX

用之

始化链的例子:

中空闲块号栈50号空块150号空块250号空块

一空闲块数

一空闲块号

S.free

0

38

251号空闲块

采用成组链接法的外存分配、回收算法:

磁盘专用块一一内存专用块

（superblock）

分配算法（分配1个空块）回收算法（回收1个空块）

IF栈已上锁THEN阻塞ELSE对栈上锁IF栈已上锁THEN阻塞ELSE对栈上锁

IF空闲块数＞1THEN｛IF空闲块数V100THEN｛

空闲块数减1;开锁；将释放块压入S.free（空闲块数）单元；

返回S.free（空闲块数）单元的空块；｝空闲块数加1;开锁；返回；｝

IF空闲块数=1且S.free（0尸0THEN｛ELSE｛把空闲块栈内容写到释放块中；

开锁；失败返回；｝ELSE｛置空闲块数为1;

将S.free（空闲块数-1）单元的空块存入T；将释放块号压入S.free（0）单元；

将T号块内容读入专用块；开锁；返回；｝

开锁；返回T号空块；｝

（3）位示图

日用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况,

每个物理块对应一位，分配物理块为1,否则为

0

申请物理块时，可以在位示图中查找为0的位，

返回对应物理块号；

归还时；将对应位转置0-

描述能力强，适合各种物理结构（对连续文件

稍差），本身占空间少，可常驻内存，而字位

号到块号的转换也不难。今Linux等用之（甚

至对内存分页方式也用它）

5.3文件目录

1.基本概念

■文件控制块（FCB）：是OS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），也叫文件目录项

■文件控制块是文件存在的标志

■文件控制块的内容：

/基本信息：文件的名字、地址、大小、结构、类型

/存取控制信息：文件属主、存取权限或属性或口令

,使用信息：共享计数，文件的建立、修改日期等

■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，即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

■目录主要是为了系统快速实现“按名存取”

而引入的，查目录是文件系统最频繁的操作,

因此目录的合理组织很重要

2.目录结构

⑴单级目录结构

系统为所有文件建立一个目录文件（线性表）

优点：简单，易实现

缺点：

■限制了用户对文件的命名（存在“命名冲突”问

题）

■顺序检索文件时平均检索时间长

■限制了对文件的共享

・不适于多用户系统

(2)二级目录结构

■为克服单级目录结构存在的命名冲突问题，

并提高对目录文件的检索速度而引入

■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FCB

■优点：解决了文件的重名问题和文件共享问题；

可用于多用户系统；

顺序查找时间降低。

■缺点：增加了系统开销

级目录结构示意图

普通文件

UFD(user1)

ABC

LMN

XYZ

ABC

----

(3)多级目录结构(树型目录)

■对二级目录简单扩充可得三级或三级以上的多

级目录结构，即允许每一级目录中的FCB要么

指向文件，要么指向下一级子目录即可。这是

当今主流OS普遍采用的目录结构

■优点：①解决了命名冲突问题.

②提高了文件检索速度

③易于实现文件的共享和保护

④层次结构清晰，便于对文件分类管理

■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

UNIX多级树形目录结构示意图

文件符号名

文件内部号

文件符号名

4B^^.F•-CB♦・B1•I

基本目录项

BFCB

采用基本文件目录和符号文件

目录的多级目录结构示意图(2)

文件名ID

ZhangSan

Li_Sitj

Software4

Tools6

ID4Products7

ID5Rooms5

Zhang_San的目录(ID3)

ID7文件名ID

文件名IDSA2

ID9ITools5Mygame

10

ID1Mygame

Classmate9ZhangSanTook子目录(ID6)

lEftl

(ID1)Li_Si的目录(ID8)

例5・1I块大小512字节，一个FCB有48个字节，符号日

录项占8字节，文件名6宁节，文件号2字节，基本口录项次

48-6=42字节。若把含行128个订录项的某单级H录文件改造

成符号文件目录和基本文件目录的结构，试说明改造后查

,个文件的平均访盘次数，谈一下自己的认识。

解：分解前：1块含512/48=10个FCB

分解后：1块含512/8=64个符号目录项，或者，

1块含512/42=12个基本目录项

该目录文件含有128个目录项，分解前占13块，

分解后其符号文件占2块，基本文件占11块。

故分解前查找一个文件的平均访盘次数：

(1+13)/2=7次，分解后：(1+2)/2+1=2.5次

由此可见：改造后减少了访问硬盘的次数，提

高了检索速度。

⑸目录的其他实现方法：

■Hash表算法：

目录文件按目录项键的Hash值的顺序组织。

创建或搜索时根据文件名计算Hash值，得到

一个指向目录表中相应表目的指针

■其他算法：1R

如B+树,这是一种将大的单级索引目录文件

组织成有序的树型多级索引目录文件的方法,

是索引顺序文件中实际采用的基本索弓I结构,

支持随机访问和顺序访问，多见于DBMS中。

NTFS文件系统就采用了B+树

3.目录查询技术

文件的“按名存取”是通过查目录实现的，

系统按照文件的路径名检索。目录查询技术

主要有两种：

■线性检索法

■Hash方法

为加快目录检索，许多系统引入当前目录（工作

目录，值班目录）、相对路径名、cd命令等。

5.4文件使用

■为方便用户使用文件，文件系统提供对文件的

各种操作，形式分别为：系统调用或命令

①提供设置和修改用户文件的存取权限的服务

②提供建立、修改、改变、删除目录的服务

③提供文件共享，设置访问路径的服务「一一，

④提供创建、打开、读、写、关闭、撤消文件等服务

⑤文件系统维护

⑥文件系统的转储和恢复

⑦・・・・・・

其中，最基本的操作是：打开、关闭、读、写文件等

(1)打开文件操作简介

■任何一个文件使用前都要先打开，即把

FCB送到内存，以建立用户和文件的联

系，使今后频繁的查目录操作在内存中

完成。如fd=open(文件路径名，打开方式)

■打开文件操作的主要执行步骤如下:

①根据文件路径名查目录，找到FCB主部；

②根据打开方式、共享说明和用户身份检查访

问合法性；

③根据文件号查系统打开文件表，看文件是否

已被打开；若是一共享计数加1,否则一将外

存中的FCB主部等信息填入系统打开文件表

空表项，共享计数置为1；

④在用户打开文件表中取一空表项，填写打开

方式等，并指向系统打开文件表对应表项

返回信息：fd：文件描述符，是一个非负整

数，用于以后读写文件

5.5文件的共享与保护

1.文件共享的定义

一个文件被多个用户或程序使用

共享形式：

A被多个用户不同时使用，由存取权限控制

A被多个程序使用，但各用自己的写指针

»被多个程序使用，但共享写指针

2.文件共享的目的

A节省时间和存储空间，减少了用户工作量；

＞进程间通过文件交换信息。

的实现方法（3种）

按“路径名”访问共享文件，即基于系统目

录的共享法O实现简单，但路径名可能长，检索较

慢。

用连接命令实现基于i-node的共享（硬链^小）.

通过“连接（Link）”命令，在用户自己的

目录项中对要共享的文件建立起相应的表目，

新建目录项中的索引节点号即被共享文件的。

解除连接需执行Unlink命令。UNIX提供此法。

它是方法1的发展。使用文件别名，检索较快，也

叫静态共享。

问题：删除文件时应怎样考虑？

用符号链(Symboliclinking)访问共享文件

系统建立一个新文件，类型为LINK,放在要

连接的目录下。该文件只包含被链接文件的

路径名

问迎：系统时空开销大

优势：适于异地系统间(特别是计算机网络

环境下)的文件共享，也没有直接删除文件

的副作用。

符号链在Windows中叫快捷方式

UNIX实例——用户B用连接方式共享用户A的文件F

Link(A/F,B/C)(Linux命令为InA/FB/C)

在B目录中建立一个新表目，并在文件F所对应

的目录表目中的“连接数”项加1

1文件名1内部标识号

CA/F的内部标识号

为支持用户的3种共享形式，UNIX在用户

打开文件表和内存索引节点间还引入了系

统打开文件表，以解决文件读写指针的存

放位置问题，如下图所示。

系统打开文件表

UNIX系统文件共享示例

4.文件的保护与保密

这是实现‘*系统安全性的两个重要方面。安

全性应确保未经授权的用户不能存取某些文

件，防止数据的丢失、被偷窃、被篡改。这

涉及到技术、管理、法律、道德、教育和政

治等问题

（1）系统安全的分级管理

■系统级管理（注册、登录、口令机制）

■用户级管理（分类授权）

■目录、文件级管理（设权限、属性等）

(2)文件保护一防破坏(被动做法J

■人为破坏因素■系统对策

•有意、无意的非法操作■授权机制「