操作系統---文件管理

文件的簡介

一個文件的屬性

• 文件名
• 標識符
• 類型
• 位置
• 大小
• 創建時間, 上次修改時間
• 文件所有者信息
• 保護信息

文件的分類

無結構文件 ( 流式文件)

如文本文件, 由一些二進制或字符流組成

有結構文件 ( 記錄式文件 )

如數據庫表, 由一組相似的記錄組成, 又稱 "記錄式文件"

記錄 : 一組相關數據項的集合

操作系統應該向上提供的功能

• 創建文件---create系統調用

• 讀文件---read系統調用

• 刪除文件---delete系統調用

• 寫文件---write系統調用

• 打開文件---open系統調用

• 關閉文件---close系統調用

文件的邏輯結構

graph LR A[文件的邏輯結構]---B[有結構文件] A---C[無結構文件] B---b1[順序文件] B---b2[索引文件] B---b3[索引順序文件]

這里重點討論有結構文件

有結構文件

有結構文件由一組相似的記錄組成, 又稱記錄式文件 . 每條記錄又由若干個數據項組成, 如數據庫表文件. 一般來說, 每條記錄有一個數據項可作為關鍵字. 根據各條記錄的長度是否相等, 可分為定長記錄和可變長記錄兩種.

順序文件

文件中的記錄一個接一個地順序排列( 邏輯上 ) , 記錄可以是定長的或可變長的. 各個記錄在物理上可以順序存儲或鏈式存儲.

索引文件

索引順序文件

索引順序文件是索引文件和順序文件思想的結合. 索引順序文件中, 同樣會為文件建立一張索引表, 但不同的是, 並不是每個記錄都對應一個索引表, 而是一組記錄對應一個索引表項

• 當記錄過多的時候可以建立多級索引表

文件目錄

文件控制塊FCB

單級目錄結構

早期的操作系統並不支持多級目錄, 整個系統只建立一張目錄表, 每個文件占一個目錄項

單級目錄實現了"按名存取", 但是不允許文件重名

單級目錄不支持多用戶操作系統

兩級目錄結構

早期的多用戶操作系統采用兩級目錄結構, 分為主文件目錄和用戶文件目錄.

多級目錄結構 ( 樹形目錄結構 )

• 理解 : 相對目錄可以減少磁盤I/O操作次數

無環圖目錄結構

索引結點 ( FCB的改進 )

將fcb除了文件名之外的所有信息放入索引結點存在外存, 只有找到對應的目錄項時才將索引節點調入內存.

文件的物理結構

文件塊和磁盤塊

在內存管理中, 進程的邏輯地址空間被分為一個個的頁面

同樣的, 在外存管理中, 為了方便對文件數據的管理, 文件的邏輯地址空間也被分為了一個個的文件塊

於是文件的邏輯地址也可以表示為 (邏輯塊號, 塊內地址)的形式

文件分配方式---連續分配

連續分配方式要求每個文件在磁盤上占有一組連續的塊

操作系統可以直接算出邏輯塊號對應的物理塊號, 因此連續分配支持順序訪問和直接訪問( 隨機訪問 )

優點 :

連續分配的文件在順序讀/寫時速度最快

缺點 :

采用連續分配的文件不方便拓展

存儲利用率低, 會產生難以利用的磁盤碎片. ( 可以采用緊湊的方法來處理碎片, 但是需要耗費很大的時間代價 )

文件分配方式---鏈接分配

隱式鏈接

采用隱式鏈接的鏈接分配方式, 很方便文件拓展 , 另外, 所有的空閑磁盤塊都可以被利用, 不會有碎片問題, 外存利用率高

顯式鏈接

文件分配方式---索引分配

文件離散地分配在各個磁盤塊中, 系統為每個文件建立一張索引表, 索引表中記錄了文件的各個邏輯塊對應的物理塊. 索引表存放的磁盤塊稱為索引塊, 文件數據存放的磁盤塊稱為數據塊 .

• 索引分配方式可以支持隨機訪問, 文件拓展也很容易實現, 但是索引表需要占用一定的存儲空間

多層索引

• K層索引訪問一個數據塊需要K+1次讀磁盤操作

• 多層索引的各層索引大小不能超過一個磁盤塊

• 會計算文件的長度

混合索引

混合索引是多種分配方式的結合

e.g.

一個文件的頂級索引表中既包含直接地址索引 , 又包含一級間接索引 ,還包含兩級間接索引 ...

好處 : 對於小文件來說只需要很少的讀磁盤操作

文件存儲空間管理

空閑表法

空閑表記錄空閑盤塊號的起始地址和空閑塊數

• 要求 : 連續的存儲空間

• 如何分配磁盤塊 : 與內存管理的動態分區類似, 為一個文件分配連續的存儲空間. 同樣可以采用首次適應 , 最佳適應 , 最壞適應等算法.

• 如何回收磁盤塊 :

空閑鏈表法

1. 空閑盤塊鏈

2. 空閑盤區鏈

位示圖法

成組鏈接法

UNIX系統采用了成組鏈接法對空閑塊進行管理

講的很好的一篇圖文結合博客

文件的基本操作

創建文件

使用 "create系統調用"

1. 在外存中找到文件所需的時間
2. 根據文件的存放路徑的信息找到該目錄對應的目錄文件, 在目錄中創建該文件對應的目錄項 ( 目錄項中包含了文件名, 文件在外存中的存放位置等信息 )

刪除文件

使用 "delete系統調用"

打開文件

• 打開文件表

  • 讀寫指針 ：讀 / 寫操作進行到的位置記錄
  • 訪問權限 : 只讀 / 只寫 / 可讀可寫....

  打開文件時不會把文件的數據直接讀入內存 ( 讀文件時才讀入內存 )

關閉文件

讀文件, 寫文件

文件共享

多個用戶共享同一個文件, 意味着系統中只有 "一份" 文件數據 . 並且只要某個用戶改了該文件的數據, 其他用戶也可以看到文件數據的變化.

基於索引結點的共享方式 ( 硬鏈接 )

刪除 :

基於符號鏈的共享方式 ( 軟連接 )

e.g.

windows下的快捷方式

文件保護

1. 口令保護 ( 口令放在系統中, 不太安全 )

2. 加密保護 ( 安全性高, 但加密 / 解密 需要耗費一定的時間

3. 訪問控制

文件系統的層次結構

e.g.