華中科技大學操作系統(tǒng)課件全集.ppt

第11章文件系統(tǒng) 信息是計算機系統(tǒng)中的重要資源 操作系統(tǒng)中的一個重要組成部分 文件系統(tǒng) 就負責信息的組織 存儲和訪問 文件系統(tǒng)的功能就是提供高效 快速和方便的信息存儲和訪問功能 本章的主要內容就是信息的組織 掌握 基本概念 文件系統(tǒng) 文件 目錄文件系統(tǒng)實現文件邏輯結構文件物理結構存儲空間管理了解文件系統(tǒng)舉例 文件管理的目的 所有的計算機應用程序都要 存儲信息 檢索信息對信息管理有三個基本要求 能夠存儲大量的信息長期保存信息可以共享信息解決方法 把信息以一種單元 即文件的形式存儲在磁盤或其他外部介質上 通過操作系統(tǒng)來管理文件 包括 文件的結構 命名 存取 使用 保護和實現方法 文件管理的目的 方便的文件訪問和控制 以符號名稱作為文件標識 便于用戶使用 并發(fā)文件訪問和控制 在多道程系統(tǒng)中支持對文件的并發(fā)訪問和控制 統(tǒng)一的用戶接口 在不同設備上提供同樣的接口 方便用戶操作和編程 多種文件訪問權限 在多用戶系統(tǒng)中的不同用戶對同一文件會有不同的訪問權限 優(yōu)化性能 存儲效率 檢索性能 讀寫性能 差錯恢復 能夠驗證文件的正確性 并具有一定的差錯恢復能力 文件 定義 文件是具有符號名的數據項的集合 文件名是文件的標識符號 文件的組成 包括兩部分 文件體 文件本身的信息 文件說明 文件存儲和管理信息 如 文件名 文件內部標識 文件存儲地址 訪問權限 訪問時間等 文件的命名 文件名根據文件的定義 每個文件必須有一個唯一的文件名 不論是系統(tǒng)管理 還是用戶使用文件都使用文件名 文件名是一個有限長度的字符串 DOS WINDOWS系統(tǒng)中文件名 文件名 文件擴展名 不同的操作系統(tǒng)對文件名的字符長度限制可能不同 不同的操作系統(tǒng)對文件名的英文字母的大小寫處理可能不同 文件的命名 文件擴展名 不大于3個字符 一般用來表示文件的類型 例如 CC語言源程序文件COM可執(zhí)行文件 小模式 EXE可執(zhí)行文件 大模式 BAT批處理文件OBJ目標文件ll exechapter11 ppt 文件的類型 按用途分為 系統(tǒng)文件 庫文件 用戶文件按文件中數據分為 源文件相對地址形式文件可執(zhí)行的目標文件按操作保護分為 只讀文件 讀寫文件 不保護文件管理方式 普通文件 目錄文件和特別文件普通文件 一般的正文文件 目錄文件 把文件目錄看成文件 特殊文件 允許用戶把每個輸入輸出設備看成一個特殊文件 由操作系統(tǒng)把對它的文件操作轉化成對不同設備的I O操作 定義 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責存取和管理輔存儲器上文件信息的機構 提供文件存儲和訪問功能 通用文件系統(tǒng)應具有以下功能 提供用戶對文件操作的命令 提供用戶共享文件的機制 管理文件的存儲介質 提供文件的存取控制的機制 保障文件及文件系統(tǒng)的安全性 提供文件及文件系統(tǒng)的備份和恢復功能 提供對文件的加密和解密功能 文件系統(tǒng) 文件系統(tǒng)的結構 文件的邏輯結構 文件邏輯結構的設計要求 訪問性能 便于檢索 便于修改 存儲性能 向物理存儲轉換方便 節(jié)省空間 文件的不同組織層次 域 記錄 文件 文件的邏輯結構是指從用戶觀點出發(fā)討論文件內部的邏輯結構 logicalstructure 或用戶訪問模式 它可以獨立于在外存上的物理存儲 也稱文件的結構 文件的邏輯結構類型 1 順序文件又稱為無結構文件或流式文件 文件體為字節(jié)流 不劃分記錄 順序訪問 每次讀寫訪問可以指定任意數據長度 當前操作系統(tǒng)中常用的文件組織 UNIX DOS WINDOWS系統(tǒng)中的普通文件都是流式文件 2 索引順序文件 indexed sequentialfile 在順序文件 主文件mainfile 的基礎上 另外建立索引 index 和溢出文件 overflowfile 這樣做的目的是加快順序文件的檢索速度 在索引文件中 可將關鍵字域中的取值劃分若干個區(qū)間 如A Z可以劃分為A到Z共26個區(qū)間 每個區(qū)間對應一個索引項 后者指向該區(qū)間的開頭記錄 新記錄暫時保存在溢出文件中 定期歸并入主文件 通過劃分層次 在記錄數量較大時 比順序文件大大縮短檢索時間 順序文件是N 2 這時可使用折半查找 而索引順序文件 一級索引 是i 2 N 2 i 其中i為索引長度 索引還可以是多級的 如 有1000 000條記錄的順序文件的平均檢索長度為500 000 而在添加一個有1000條索引項的索引文件后 平均檢索長度為1000 文件的邏輯結構類型 續(xù) 索引順序文件 3 索引文件 indexedfile 記錄大小不必相同 不必排序 存放在主文件 primaryfile 中 索引文件與索引順序文件的區(qū)別在于主文件不排序 另外建立索引 每個索引項指向一個記錄 索引項按照記錄中的某個關鍵字域排序 對同一主文件 可以針對不同的關鍵字域相應建立多個索引 索引文件的記錄項通常較小 查找速度快 便于隨機訪問 randomaccess 文件的邏輯結構類型 續(xù) 4 哈希文件或直接文件 hashedfileordirectfile 記錄大小相同 由主文件和溢出文件組成 記錄位置由哈希函數確定 檢索時給出記錄編號 通過哈希函數計算出該記錄在文件中的相對位置 訪問速度快 但在主文件中有空閑空間 文件的邏輯結構類型 續(xù) 文件目錄 目錄是由文件說明索引組成的用于文件檢索的特殊文件 文件目錄的內容主要是文件訪問的控制信息 不包括文件內容 目錄內容 1 基本信息文件名 字符串 通常在不同系統(tǒng)中允許不同的最大長度 可以修改 有些系統(tǒng)允許同一個文件有多個別名 alias 文件類型 可有多種不同的劃分方法 如 有無結構 記錄文件 流式文件 內容 二進制 文本 用途 源代碼 目標代碼 可執(zhí)行文件 數據 屬性attribute 如系統(tǒng) 隱含等 文件組織 如順序 索引等 目錄的內容是文件屬性信息 properties 其中的一部分是用戶可獲取的 2 地址信息存放位置 包括哪個設備或文件卷volume 以及各個存儲塊位置 文件長度 當前和上限 以字節(jié) 字或存儲塊為單位 可以通過寫入或創(chuàng)建 打開 關閉等操作而變化 3 訪問控制信息文件所有者 屬主 通常是創(chuàng)建文件的用戶 或者改變已有文件的屬主 訪問權限 控制各用戶可使用的訪問方式 如讀 寫 執(zhí)行 刪除等 4 使用信息創(chuàng)建時間最后一次讀訪問的時間和用戶最后一次寫訪問的時間和用戶 目錄內容 續(xù) 目錄結構類型 目錄結構討論目錄的組織結構 設計目標是檢索效率 一個典型的目錄結構都包含一定數量的目錄項 每個目錄項指向一個文件 使用整體目錄結構還是分體式目錄結構 整體目錄結構 在每個目錄項中包含了文件目錄的全部內容 包括 文件名 文件屬性以及文件在磁盤上的物理地址 分體式目錄結構 每個目錄項包含文件名以及一個指針 該指針指向一個存儲文件有關信息數據結構 該數據結構包含了文件目錄的其他全部內容 層次的樹形目錄 一級目錄 二級目錄 多級目錄 目錄結構類型 一級目錄 整個目錄組織是一個線性結構 系統(tǒng)中的所有文件都建立在一張目錄表中 它主要用于單用戶操作系統(tǒng) 它具有如下的特點 結構簡單 文件多時 目錄檢索時間長 有命名沖突 如重名 多個文件有相同的文件名 或別名 一個文件有多個不同的文件名 二級目錄 在根目錄下 每個用戶對應一個目錄 第二級目錄 在用戶目錄下是該用戶的文件 而不再有下級目錄 適用于多用戶系統(tǒng) 各用戶可有自己的專用目錄 目錄結構類型 多級目錄 或稱為樹狀目錄 tree like 在文件數目較多時 便于系統(tǒng)和用戶將文件分散管理 適用于較大的文件系統(tǒng)管理 目錄級別太多時 會增加路徑檢索時間 目錄名 可以修改 目錄樹 中間結點是目錄 葉子結點是目錄或文件 目錄的上下級關系 當前目錄 currentdirectory workingdirectory 父目錄 parentdirectory 子目錄 subdirectory 根目錄 rootdirectory 等 路徑 path 每個目錄或文件 可以由根目錄開始依次經由的各級目錄名 加上最終的目錄名或文件名來表示 改進的多級目錄 為了提高目錄檢索速度 可把目錄中的文件說明 文件描述符 信息分成兩個部分 符號文件目錄 由文件名和文件內部標識組成的樹狀結構 按文件名排序 基本文件目錄 索引節(jié)點目錄 由其余文件說明信息組成的線性結構 按文件內部標識排序 基本文件目錄 符號文件目錄的層次結構 文件的物理結構 一個文件存儲介質 格式化后就分成許多大小相等的單位 存儲塊 物理盤塊 在現代計算機系統(tǒng)中 一般來說 每個物理塊是一個磁盤的扇區(qū) 512字節(jié) 并給每個存儲塊有個編號 稱為物理塊號 文件的物理結構 文件的物理結構 指一個邏輯結構的文件存放在存儲介質 外存中 的結構關系 即文件的存儲結構 實現文件存儲的關鍵問題在于怎樣記錄文件與磁盤上每一塊 Block 之間的對應關系 在不同的操作系統(tǒng)中 采取不同的方法 大致有以下幾種 連續(xù)分配 鏈接分配 索引分配 連續(xù)分配 實現 把一個由邏輯上連接的記錄構成的文件分配到依次連續(xù)的物理塊中 P244 優(yōu)點 實現起來非常簡單 系統(tǒng)只需知道文件在磁盤中第一塊的地址就能夠找到該文件 存取效率很高 因為只需要一個操作就能夠將整個文件從磁盤中讀取出來 缺點 不適合文件隨時間動態(tài)增長和收縮的情況 以及事先不能夠確定文件的大小的情況 會帶來碎片問題 鏈接分配 實現 把每個文件以鏈接塊的形式存儲起來 文件分配表中給出文件的起始塊號和文件長度 P244 有兩種方式 以扇區(qū)為單位以區(qū)段 或簇 為單位優(yōu)點 文件不再需要存儲于連續(xù)的物理塊中 解決了碎片問題 缺點 不利于隨機存取 每一塊中要有一個字用來存儲地址信息 索引分配 實現 每個文件有一個文件分配表和一個文件索引表 通過索引表來管理文件的存儲塊 文件索引表中的每個表目對應分給文件的每一個物理塊 優(yōu)點 隨機存取 缺點 索引表占磁盤空間 文件的存儲空間組織 空閑文件項和空閑區(qū)表把每個空閑區(qū)看成一個文件 并登記在文件目錄中 目錄中各表目按文件起始地址從小到大排列 分配 系統(tǒng)依次掃描整個目錄表 找尋標志為空閑的表目 比較其大小是否滿足要求 如符合則分配 缺點 增加了目錄的尺寸 增加了目錄管理的復雜性 適用 系統(tǒng)中只有少量的大空閑區(qū)時 文件的存儲空間組織 文件存儲空間的組織 空閑塊鏈所有空閑塊鏈接在一起 空閑塊鏈 頭指針 第一個空閑塊的位置 物理塊 10101526711161217131518191150優(yōu)點 節(jié)省了空閑區(qū)映象表所占的空間 分配和釋放時不需查目錄表 文件的存儲空間組織 位示圖若干連續(xù)字節(jié)構成表 表中每一位對應一個物理塊 依次順序為0 1 2 用 位 的取值表示相應物理塊是否分配 1 該對應物理塊已分配 0 該對應物理塊為空閑 特點 位圖尺寸固定 可以放在內存中 文件系統(tǒng)舉例 MSDOS的文件系統(tǒng)WindowsNT的文件系統(tǒng)UNIX的文件系統(tǒng) MSDOS的文件系統(tǒng) 多級目錄 不支持文件別名 無用戶訪問權限控制 1 磁盤文件卷結構 文件卷 volume 信息 記錄在引導記錄的扇區(qū)中 包括 簇大小 根目錄項數目 FAT表大小 磁盤參數 每道扇區(qū)數 磁頭數 文件卷中的扇區(qū)總數 簇編號長度等邏輯扇區(qū)號 三元組 柱面號 磁頭號 扇區(qū)號 一個文件卷中從0開始對每個扇區(qū)編號 優(yōu)點 屏蔽了物理磁盤參數的不同允許同時訪問的文件卷數目上限可以由config sys文件中的LASTDRIVE 語句指定簇 cluster 由若干個扇區(qū)組成 在一個文件卷中從0開始對每個簇編號 每個FAT表項所占位數是簇編號的位數 其值是 以FAT12為例 0 表示該簇空閑FF7h 物理壞扇區(qū)FF8h FFFh 表示該簇是文件的最后一個簇其他值 表示該簇被文件占用 而且表項中的值是文件下一個簇的編號 FAT表 兩個鏡像 互為備份 文件卷中的每個簇均對應一個FAT表項 文件分配采用鏈式分配方法 目錄 是目錄項的順序文件 即大小相同的排序記錄序列 不對目錄項排序 若目錄中包含的文件數目較多 則搜索效率低 每個目錄項大小為32字節(jié) 其內容包括 文件名 8 3個字符 屬性 包括文件 子目錄和文件卷標識 最后一次修改時間和日期 文件長度 第一個簇的編號 在目錄項中 若第一個字節(jié)為E5h 則表示空目錄項 若為05h 則表示文件名的第一個字符為E5h 文件名不區(qū)分大小寫 2 打開文件管理 系統(tǒng)文件表 SFT SystemFileTable 和任務文件表 JFT JobFileTable SFT包含系統(tǒng)的所有打開文件 可以由幾個表項依次連接組成 JFT包含該任務 進程 的所有打開文件 JFT表項內容是到SFT表項的索引 SFT的表項數目可由config sys文件中的FILES 來語句指定 默認是8 WindowsNT的文件系統(tǒng) NTFS為改進的多級目錄結構 支持文件別名 符號鏈接方式 NTFS文件由多個文件屬性構成 每個屬性由屬性名和屬性流 stream 簡單字節(jié)隊列 組成 用戶可自定義屬性 NTFS支持用戶權限管理 有5種權限劃分 讀 寫 運行 刪除和修改權限 支持按用戶 用戶組分配權限 NTFS文件支持數據壓縮功能 NTFS卷結構支持容錯功能 返回 1 概述 2 WindowsNT的文件系統(tǒng)結構 遠程文件操作過程 3 與文件系統(tǒng)相關的數據結構 4 NTFS卷結構 NTFS的結構以卷為單位 卷與磁盤分區(qū)相關 卷由一組文件和未分配空間組成 NTFS以簇為基本硬盤分配單位 簇的大小為物理扇區(qū)的整數倍 通常為2K倍 NTFS卷上的所有數據 包括用于引導 定位 空間分配等文件系統(tǒng)管理數據 都以文件的形式保存 文件引用號 在主文件表中每個文件記錄有一個64位的文件引用號 它由文件號和順序號組成 文件號 48位 47 0 是文件在主文件表中的位置序號 順序號 16位 63 48 在每次重復使用該文件記錄時加1 NTFS的元文件 主文件表 MFT 文件記錄數組 每個記錄為1KB 每個文件對應一個或多個文件記錄 主文件表副本 MFTMirr 是主文件表中前幾項的副本 用于在主文件表不能讀取時的元文件定位 卷結構日志 LogFile 記錄所有影響NTFS卷結構的操作 用于系統(tǒng)失敗后的卷恢復 空間分配位圖 Bitmap 標識卷中每個簇的分配狀態(tài) 即 空閑和已被分配 引導文件 Boot 引導程序代碼 壞簇文件 BadClus 記錄卷中據有損壞位置 卷文件 Volume 卷名 文件系統(tǒng)版本 卷狀態(tài) 卷是否被損壞 屬性定義表 AttrDef 卷中支持的屬性類型列表 5 NTFS文件屬性 NTFS文件是屬性的集合 通常所說的文件內容是指未命名數據屬性流 例 我們定義兩個數據屬性 ntfile 數據 和ntfile data 自定義數據 在向FAT復制時 自定義屬性會丟失 echotest data ntfileechotest userdefineddata ntfile datamore ntfilemore ntfile datacopyntfileh ntfile H為NTFS copyntfilef ntfile F為FAT more h ntfilemore h ntfile datamore f ntfilemore f ntfile data NTFS文件屬性的存儲形式 常駐屬性 ResidentAttribute 屬性流直接存放在主文件表中 標準信息和文件名總是常駐的 非常駐屬性 NonresidentAttribute 屬性流的存放不在主文件表中 大文件的數據屬性 大目錄的文件名索引屬性等長度可增加的屬性為非常駐的 常駐屬性 非常駐屬性 NTFS文件結構 NTFS目錄結構 6 NTFS的數據壓縮 稀疏文件壓縮 稀疏文件是指相對于文件大小而言只有少量非零數據的文件 壓縮方法為省略 不保存 只包含零的簇 非稀疏文件壓縮 NTFS首先把文件分成16個簇為一組的壓縮單位 分別對各壓縮單位進行壓縮 當壓縮后不能節(jié)約一個簇時 不壓縮而直接存儲 當壓縮后可節(jié)約至少一個簇時 只分配相應空間 存儲壓縮后的數據 NTFS支持基于文件 目錄和卷的壓縮 稀疏文件壓縮 非稀疏文件壓縮 7 NTFS卷結構 卷集 是由1到32個硬盤分區(qū)構成的單一文件卷 可在不影響已存儲數據的條件下把一個硬盤分區(qū)增加到卷集中 可用于 合并多個小硬盤分區(qū) 形成跨越多個小硬盤的更大卷 動態(tài)增加卷的大小 通常一個文件卷與一個硬盤分區(qū)相對應 但NTFS支持由多個硬盤分區(qū)構成的文件卷 以提高文件I O效率 提供動態(tài)增加卷大小和容錯功能 條帶卷 由2個以上的分布在不同物理硬盤上的大小相同的分區(qū) 以64KB大小的條帶為單位組合成的文件卷 條帶卷可使數據在硬盤間的分布趨于平均 通過多個并行的硬盤I O來提高文件I O速度 鏡像卷 由2個分布在不同物理硬盤上的大小相同的分區(qū) 通過完全復制構成的單一文件卷 鏡像卷有一半的空間用于冗余數據存儲 可用于 數據的冗余存儲 當數據不可讀時 自動從鏡像分區(qū)中讀取 通過平衡讀取操作來提高文件讀取效率 帶校驗的條帶卷 由3個以上的分布在不同物理硬盤上的大小相同的分區(qū) 以64KB大小的條帶為單位組合成的帶校驗的文件卷 由N個分區(qū)構成的帶校驗條帶卷有1 N的空間用于冗余數據存儲 可恢復一個條帶的錯誤 可用于 數據的冗余存儲 容錯 提高文件I O速度 UNIX的文件系統(tǒng) 改進的多級文件目錄 可以建立文件別名 索引結點方式和符號鏈接方式 有用戶訪問權限控制 文件的讀R 寫W和執(zhí)行X 相應于目錄的檢索文件 增刪文件和進入目錄 注意 如果對文件具有寫權限 而對文件所在目錄沒有寫權限 仍然可以改變該文件的長度 如添加數據 因為除文件名外的其他文件目錄內容都存放在索引結點而不是在目錄文件 文件類型 常規(guī)文件 ordinaryfile 目錄文件 directory 特殊文件 specialfile 如外設 先進先出文件 FIFO 如命名管道 返回 1 概述 2 磁盤文件卷結構 超級塊 描述文件系統(tǒng)的狀態(tài) 包括磁盤空閑塊棧 空閑i結點棧i節(jié)點 inodelist 存放文件說明信息 每項64字節(jié)目錄文件 每個目錄項16字節(jié) 文件名區(qū)分大小寫 文件分配 直接索引 一級 二級 三級間接索引 3 空閑i結點的分配和釋放 每次從磁盤上尋找一批空閑i結點 把它們的編號記錄在內存的空閑i結點棧中 其中 銘記 i結點 rememberedinode 是棧中編號最大的i結點 i結點分配時 移出棧頂的i結點 若到達 銘記 i結點則表示棧已空 需要從磁盤上重新尋找 銘記i結點在棧底 i結點釋放時 若棧未滿 則把被釋放i結點放入棧頂 若棧已滿 則判斷被釋放i結點的編號小于 銘記 i結點編號 則把前者替換 銘記 i結點 否則被釋放的i結點不入棧 問題舉例 這里的問題出在內存中的i結點棧與磁盤上的狀態(tài)不一致 如 分配空閑i結點100和150 釋放i結點100