文件的簡介
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）
文件內部的數據是由一系列的二進制或字符流組成，如文本文件（.txt文件）
有結構文件（記錄式文件）
由一組相似的記錄文件組成，每條記錄又由若干個數據項組成，如數據庫表。一般來說，每條記錄有一個數據項作為關鍵字。根據各條記錄的長度（占用的存儲空間）是否相等，又可分為定長記錄和可變長記錄。
記錄是一組相關數據項的集合
操作系統應向上提供哪些功能
create、delete、open、close、read、write 系統調用
文件的邏輯結構
邏輯結構 vs 物理結構
邏輯結構：指在用戶看來，文件內部的數據應該是如何組織起來的。
物理結構：指的是在操作系統看來，文件的數據是如何存放在外存的。
有結構文件的邏輯結構
根據有結構文件中的各條記錄在邏輯上如何組織，可以分為三類。
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。
順序存儲
- 邏輯上相鄰的記錄物理上也相鄰。
鏈式存儲
- 邏輯上相鄰的記錄物理上不一定相鄰。
根據記錄之間的順序與關鍵字是否有關又可將順序文件分為
串結構：記錄之間的順序與關鍵字無關（通常按照記錄存入的時間決定記錄的順序）
順序結構：記錄之間的順序按關鍵字順序排列
順序文件的查找
順序文件的缺點是增加/刪除一個記錄比較困難（如果是串結構則相對簡單）
索引文件
索引順序文件
- 當記錄過多的時候可以建立多級索引表
文件目錄
即我們很熟悉的Windows操作系統的 ”文件夾“。
文件控制塊
- 目錄本身就是一種有結構文件，由一條條記錄組成。每條記錄對應一個在該目錄下的文件。
- 目錄文件中的一條記錄就是一個文件控制塊（FCB）。
- FCB 實現了文件名和文件之間的映射。使用戶程序可以實現 ” 按名存取 “。
FCB中包含
1、文件的基本信息（ 文件名、物理地址、邏輯地址、物理結構等）
2、存取控制信息（是否可讀/可寫、禁止訪問的用戶名單等）
3、使用信息（如文件的建立時間、修改時間等）
對目錄進行的操作
搜索、創建文件、刪除文件、顯示目錄、修改目錄
目錄結構
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 （MFD，Master File Directory）和用戶文件目錄（UFD，User File Directory）。
優點：兩級目錄允許不同用戶的文件重名，也可以在目錄上實現訪問限制（檢查此時登錄的用戶名是否匹配）。
缺點：缺乏靈活性，用戶不能對自己的文件進行分類。
多級目錄結構
又稱樹形目錄結構
用戶(或用戶進程）要訪問某個文件時要用文件路徑名標識文件，文件路徑名是個字符串。各級目錄之間用“/”隔開。從根目錄出發的路徑稱為絕對路徑。從當前目錄出發的路徑稱為相對路徑。
系統根據絕對路徑一層一層地找到下一級目錄。剛開始從外存讀入根目錄的目錄表；找到“照片”目錄的存放位置后，從外存讀入對應的目錄表；再找到“2015-08”目錄的存放位置，再從外存讀入對應目錄表；最后才找到文件“白拍.jpg”的存放位置。整個過程需要3次讀磁盤I/O操作。
- 相對路徑可以減少磁盤 I/O 操作次數。
優點：樹形目錄結構可以很方便地對文件進行分類，層次結構清晰，也能夠更有效地進行文件的管理和保護。
缺點：樹形結構不便於實現文件的共享。
對此，提出了“ 無環圖目錄結構 ”。
無環圖目錄結構
在樹形目錄結構的基礎上，增加一些指向同一節點的有向邊，使整個目錄成為一個有向無環圖。
可以更方便地實現多個用戶間的文件共享。
可以用不同的文件名指向同一個文件，甚至可以指向同一個目錄（共享同一目錄下的所有內容）。
需要為每個共享結點設置一個共享計數器，用於記錄此時有多少個地方在共享該結點。用戶提出刪除結點的請求時，只是刪除該用戶的FCB、並使共享計數器減1，並不會直接刪除共享結點。
索引結點（FCB的改進）
將除了文件名之外的文件描述信息都放到索引結點中。由於目錄項長度減小，因此每個磁盤塊可以存放更多各目錄項，可以大大提升文件檢索速度。
當找到文件名對應的目錄項時，才需要將索引結點調入內存，索引結點中記錄了文件的各種信息，包括文件在外存中的存放位置，根據“ 存放位置 ”即可找到文件。
存放在外存中的索引結點稱為“磁盤索引結點”，當索引結點放入內存后稱為“內存索引結點”。
相比之下內存索引結點中需要增加一些信息，比如:文件是否被修改、此時有幾個進程正在訪問該文件等。
文件的物理結構
即文件數據應該怎樣存放在外存中。
文件塊和磁盤塊
磁盤塊
類似於內存分頁，磁盤中的存儲單元也會被分為一個個 ” 塊 / 磁盤塊 / 物理塊 “。
很多操作系統中，磁盤塊的大小與內存塊、頁面的大小相同。
內存與磁盤之間的數據交換（即 讀/寫操作、磁盤I/O）都是以” 塊 “ 為單位進行的。
即每次讀入一塊，或每次寫出一塊
文件塊
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。
文件目錄中記錄存放的起始塊號和長度（總共占用幾個塊）
用戶給出要訪問的邏輯塊號，操作系統找到文件對應的目錄項（FCB）
物理塊號 = 起始塊號 + 邏輯塊號
需要檢查邏輯塊號是否合理，當邏輯塊號 ≥ 長度就不合法
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
鏈接分配采取離散分配的方式，可以為文件分配離散的磁盤塊。
隱式鏈接
優點：很方便文件拓展 ；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。
缺點：只支持順序訪問，不支持隨機訪問，查找效率低，指向下一個盤塊的指針也需要耗費少量的存儲空間。
顯式鏈接
把用於鏈接文件各物理塊的指針顯式地存放在一張表中。即文件分配表（FAT，File Allocation Table）。
- 一個磁盤僅設置一張 FAT。>
- 開機時，將 FAT 讀入內存，並常駐內存。
- FAT 的各個表項在物理上連續存儲，且每一個表項長度相同，因此 ” 物理塊號 “ 字段可以是隱含的。
實現文件的邏輯塊號到物理塊號的轉變
1、用戶給出要訪問的邏輯塊號i，操作系統找到該文件對應的目錄項(FCB）
2、從目錄項中找到起始塊號，若i > 0，則查詢內存中的文件分配表FAT，往后找到i號邏輯塊對應的物理塊號。 邏輯塊號轉換成物理塊號的過程不需要讀磁盤操作。
結論：
采用顯式鏈接方式的文件，支持順序訪問，也支持隨機訪問（想訪問i號邏輯塊時，並不需要依次訪問之前的0~ i-1號邏輯塊)。
由於塊號轉換的過程不需要訪問磁盤，因此相比於隱式鏈接來說，訪問速度快很多。
文件分配方式 —— 索引分配
索引分配允許文件離散地分配在各個磁盤塊中，系統會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（索引表的功能類似於內存管理中的頁表一―建立邏輯頁面到物理頁之間的映射關系）。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。
實現文件的邏輯塊號到物理塊號的轉變
1、用戶給出要訪問的邏輯塊號i，操作系統找到該文件對應的目錄項（FCB）
2、從目錄項中可知索引表存放位置，將索引表從外存讀入內存，並查找索引表即可知道 i 號邏輯塊在外存中的存放位置。
可見，索引分配方式可以支持隨機訪問。文件拓展也很容易實現（只需要給文件分配一個空閑塊，並增加一個索引表項即可）。
鏈接方案
如果索引表太大，一個索引塊裝不下，那么可以將多個索引塊鏈接起來存放。
多層索引
建立多層索引（原理類似於多級頁表）。使第一層索引塊指向第二層的索引塊。還可根據文件大小的要求再建立第三層、第四層索引塊。
混合索引
多種索引分配方式的結合。
例如，一個文件的頂級索引表中，既包含直接地址索引(直接指向數據塊），又包含一級間接索引（指向單層索引表)、還包含兩級間接索引（指向兩層索引表)。
文件存儲空間管理
空閑表法
適用於連續分配方式。
空閑鏈表法
空閑盤塊鏈
以盤塊為單位組成一組空閑鏈
適用於離散分配的物理結構。
空閑盤區鏈
以盤區為單位組成一條空閑鏈
離散分配、連續分配都使用。
為一個文件分配多個盤塊時效率更高
位示圖法
如何分配
若文件需要K個塊
① 順序掃描位示圖，找到K個相鄰或不相鄰的“O”；
② 根據字號、位號算出對應的盤塊號，將相應盤塊分配給文件；
③ 將相應位設置為“1”。
如何回收
① 根據回收的盤塊號計算出對應的字號、位號；
② 將相應二進制位設為“ 0 ”。
成組鏈接法
空閑表法、空閑鏈表法不適用於大型文件系統，因為空閑表或空閑鏈表可能過大。
UNIX 系統中采用了成組鏈接法對磁盤空閑塊進行管理。
文件卷的目錄區中專門用一個磁盤塊作為 “超級塊”，當系統啟動時需要將超級塊讀入內存。
並且要保證內存與外存中的 “超級塊” 數據一致。
文件的基本操作
創建文件
進行 " create 系統調用 "
需要提供的參數：
1、所需的外存空間大小（如：一個盤塊，即1KB)
2、文件存放路徑（“D:/Demo”）
3、文件名（這個地方默認為“新建文本文檔.txt”)
1、在外存中找到文件所需的空間（例如使用空閑鏈表法、位示圖等管理策略，找到空閑空間）
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
進行 " delete 系統調用 "
需要提供的參數：
1、文件存放路徑（“ D:/Demo ”)
2、文件名 (“ test.txt ”)
1、根據文件存放路徑找到相應的目錄文件，從目錄中找到文件名對應的目錄項。
2、根據該目錄項記錄的文件在外存的存放位置、文件大小等信息，回收文件占用的磁盤塊。(回收磁盤塊時，根據空閑表法、空閑鏈表法、位圖法等管理策略的不同，需要做不同的處理)
3、從目錄表中刪除文件對應的目錄項。
打開文件
進行 ” open 系統調用 “
需要提供的要參數：
1、文件存放路徑 (“D:/Demo”) 2、文件名 (“test.txt”)
3、要對文件的操作類型（如：r只讀；rw讀寫等)
1、根據文件存放路徑找到相應的目錄文件，從目錄中找到文件名對應的的目錄項，並檢查該用戶是否有指定的操作權限。
2、將目錄項復制到內存中的“打開文件表”中。並將對應表目的編號返回給用戶。之后用戶使用打開文件表的編號來指明要操作的文件。
打開文件表
- 打開計數器：記錄此時有多少個進程打開了此文件。
- 讀寫指針：記錄該進程對文件的讀/寫操作進行到的位置。
- 訪問權限：如果打開文件時聲明的是 ” 只讀 “，則該進程不能對文件進行寫操作。
關閉文件
進行 ” close 系統調用 “
1、將進程的打開文件表相應表項刪除。
2、回收分配給該文件的內存空間等資源。
3、系統打開文件表的打開計數器 count 減1，若count = 0，則刪除對應表項。
讀文件
進行 ” read 系統調用 “
需要提供的參數
需要指明是哪個文件（在支持“打開文件”操作的系統中，只需要提供文件在打開文件表中的索引號即可）， 還需要指明要讀入多少數據（如：讀入1KB）、指明讀入的數據要放在內存中的什么位置。
操作系統在處理read系統調用時，會從讀指針指向的外存中，將用戶指定大小的數據讀入用戶指定的內存區域中。
寫文件
進行 ” write 系統調用 “
需要提供的參數
需要指明是哪個文件（在支持“打開文件”操作的系統中，只需要提供文件在打開文件表中的索引號即可）， 還需要指明要寫出多少數據（如：寫出1KB）、寫回外存的數據放在內存中的什么位置
文件共享
操作系統為用戶提供文件共享功能，可以讓多個用戶共享地使用同一個文件。
注意：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
索引結點中設置一個鏈接計數變量count，用於表示鏈接到本索引結點上的用戶目錄項數。
若 count =2，說明此時有兩個用戶目錄項鏈接到該索引結點上，或者說是有兩個用戶在共享此文件。
若某個用戶決定“ 刪除 ”該文件，則只是要把用戶目錄中與該文件對應的目錄項刪除，且索引結點的 count 值減1。
若 count > 0，說明還有別的用戶要使用該文件，暫時不能把文件數據刪除，否則會導致指針懸空。
當 count = 0 時系統負責刪除文件。
基於符號鏈的共享方式
當 User3 訪問 “ ccc ” 時，操作系統判斷文件 “ ccc ” 屬於 Link 類型文件，於是會根據其中記錄的層層查找目錄，最終找到 User1的目錄表中的 “ aaa ” 表項，於是就找到了文件1的索引結點。
文件保護
口令保護
為文件設置一個 “ 口令 ” （如: abc112233），用戶請求訪問該文件時必須提供 “ 口令 ”。
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口令一般存放在文件對應的 FCB 或索引結點中。
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用戶訪問文件前需要先輸入“口令”，操作系統會將用戶提供的口令與FCB中存儲的口令進行對比。
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如果正確，則允許該用戶訪問文件。
優點：保存口令的空間開銷不多，驗證口令的時間開銷也很小。
缺點：正確的 “口令” 存放在系統內部，不夠安全。
加密保護
使用某個 “ 密碼 ” 對文件進行加密，在訪問文件時需要提供正確的 “ 密碼 ” 才能對文件進行正確的解密。
訪問控制
在每個文件的 FCB （或索引結點）中增加一個訪問控制列表（Access-Control List, ACL)，該表中記錄了各個用戶可以對該文件執行哪些操作。
