第8章 文件系統(tǒng)

1、第八章第八章 文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)8.1 8.1 文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述8.2 8.2 文件的組織和存取方法文件的組織和存取方法8 8.3 .3 文文件目錄管理件目錄管理8 8.4 .4 文文件存儲空間的管理件存儲空間的管理8.5 8.5 文文件的共享件的共享8 8.6 .6 文文件的保護(hù)機(jī)件的保護(hù)機(jī)制制8.7 8.7 文件系統(tǒng)的安全文件系統(tǒng)的安全性性8.8 8.8 文件文件的的主要操主要操作作8.1 文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述8.1.1 文件和文件分類文件是被命名的相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)集合體，它通常在外存（如磁盤、磁帶）上，可以作為一個獨(dú)立單位被存放并實(shí)施相應(yīng)的操作（例如，打開、關(guān)閉、讀、寫等）。對于文

2、件的基本構(gòu)成單位目前有兩種看法：(1)把文件看作是命名的相關(guān)聯(lián)的字符流集合，即無結(jié)構(gòu)文件或流式文件。(2)把文件看作是命名了的相關(guān)記錄的集合，記錄是相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，數(shù)據(jù)項(xiàng)是相關(guān)的字符集合。(1)按性質(zhì)及用途分類系統(tǒng)文件庫文件用戶文件(2)按文件的操作保護(hù)分類只讀文件讀寫文件?？蛇\(yùn)行文件不保護(hù)文件(3)按文件的組織形式分類普通文件目錄文件特別文件2文件的分類8.1.2 文件命名文件命名不同系統(tǒng)對文件命名規(guī)則不同，一般操作系統(tǒng)都允許由1-8個字母構(gòu)成字符串作為合法的文件名。數(shù)字和特殊字符也可以出現(xiàn)在文件名中。很多操作系統(tǒng)支持文件名由兩部分構(gòu)成，即文件名和擴(kuò)展名，二者之間以圓點(diǎn)分開。8.1.3

3、文件系統(tǒng)及其功能文件系統(tǒng)及其功能功能：1.使用戶能用文件名對存儲媒介上的信息進(jìn)行訪問，文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對文件的按名存取。2.使用戶能創(chuàng)建一個新文件或刪除一個文件，并能對指定的文件進(jìn)行打開、關(guān)閉、讀、寫、執(zhí)行等操作。3.對文件提供保護(hù)和保密措施，從而防止對文件的無意或有意的破壞，并實(shí)現(xiàn)對文件的共享。4.對文件的存儲空間進(jìn)行管理，提高其利用率和存取效率。5.文件系統(tǒng)應(yīng)提供轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)的能力，盡量減少因系統(tǒng)發(fā)生故障時所造成的損失和破壞。1對整體文件而言(1)打開文件操作；(2)關(guān)閉文件操作；(3)創(chuàng)建文件操作；(4)刪除文件操作；(5)復(fù)制文件操作；(6)改變文件名操作；(7)打印或顯示文件內(nèi)容操作2

4、對文件中的數(shù)據(jù)項(xiàng)而言(1)讀操作；(2)寫操作；(3)修改操作；(4)插入操作；(5)刪除操作；8.1.4 文件操作文件操作8.2 文件的組織和存取方法文件的組織和存取方法8.2.1 文件的邏輯組織文件的邏輯組織1.記錄式文件在邏輯上被看成一組連續(xù)的相關(guān)記錄的集合。記錄式文件按其各記錄的長度是否相同又可分為等長記錄文件和變長記錄文件兩種。等長記錄文件的長度為記錄個數(shù)與記錄長度的積。變長記錄文件長度為所有記錄長度之和。2.無結(jié)構(gòu)文件指文件內(nèi)部不再劃分記錄，它的基本信息單位是字節(jié)或字，其長度是所含字節(jié)的數(shù)量。無結(jié)構(gòu)文件無需額外說明，節(jié)省存儲空間記錄式文件示意圖8.2.2 文件的物理組織文件的物理組

5、織1順序（連續(xù)）結(jié)構(gòu)若一個邏輯文件的信息按順序存放在文件存儲器上相鄰的物理塊中，則稱該文件為順序文件，這樣的結(jié)構(gòu)稱為順序結(jié)構(gòu)。2鏈接（串聯(lián)）結(jié)構(gòu)鏈接結(jié)構(gòu)是一種非連續(xù)的存儲方式，一個邏輯上連續(xù)的文件信息可分散地存放在外存的不連續(xù)的若干個物理塊中。為了使系統(tǒng)能夠找到下個物理塊，在各個物理塊中設(shè)立一個鏈接指針，指向下一個物理塊的位置，指針鏈接的前后兩個物理塊中的信息在邏輯組織上是連續(xù)的。3索引結(jié)構(gòu)該方法是由系統(tǒng)為每個文件建立一張索引表，其中每個表目指出文件邏輯記錄所在的物理塊號。索引表的位置在文件說明中指出。多重索引結(jié)構(gòu)8.2.3 文件的存取方法文件的存取方法1順序存取2隨機(jī)（直接）存取方法3按鍵存

6、取方法4文件的物理組織、存儲介質(zhì) 和存取方法間的關(guān)系8.3 文件目錄管理文件目錄管理8.3.1 目錄的概念目錄的概念通常目錄項(xiàng)包括：1文件名2文件的邏輯結(jié)構(gòu)3文件在外存的物理位置4存取控制信息5文件管理信息6文件類型7使用計數(shù)8.3.2 目錄的結(jié)構(gòu)目錄的結(jié)構(gòu)1單級目錄結(jié)構(gòu)單級目錄在實(shí)現(xiàn)上比較容易，但其有效范圍受到限制。當(dāng)系統(tǒng)中存在大容量外部存儲器或眾多用戶在使用文件時會帶來許多不便。2二級目錄結(jié)構(gòu)二級目錄較好地解決了文件命名沖突的問題，并獲得了較高的搜索速度，不足之處是缺乏靈活性，不能反映每個用戶的多任務(wù)，多領(lǐng)域?qū)哟侮P(guān)系。3多級目錄結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是不同用戶的文件、不同性質(zhì)的文件可以構(gòu)成不同的于樹，便

7、于管理。系統(tǒng)或用戶還可以規(guī)定不同層次、不同樹文件有不同的存取權(quán)限，以更好地對文件加以保護(hù)。8.3.3 文件路徑名文件路徑名1文件路徑名在二級和多級目錄結(jié)構(gòu)中一個文件的唯一標(biāo)識不再是文件名，而是從根節(jié)點(diǎn)開始，經(jīng)過一個或多個中間節(jié)點(diǎn)，到達(dá)某個葉子節(jié)點(diǎn)的一條路徑。該路徑名是文件的唯一標(biāo)識。2工作目錄可把經(jīng)常使用的文件所在的目錄指定為工作目錄（或稱當(dāng)前目錄），一旦建立了工作目錄以后，若無特殊說明，系統(tǒng)總是從工作目錄開始查詢，即用戶對文件的所有訪問都是相對于工作目錄。8.4 文件存儲空間的管理文件存儲空間的管理系統(tǒng)應(yīng)解決如下幾個問題： 記住文件存儲空間的使用情況。 需給一個文件分配存儲空間。 及時回收被

8、刪除文件所占的全部存儲空間或文件所占的部分存儲空間。8.4.1 空白文件目錄空白文件目錄這種方法僅適于少量空白區(qū)時，若存儲空間存在著大量的小的空白區(qū)，則目錄變得很大，系統(tǒng)效率降低。另外，這種技術(shù)適用于建立順序文件。位示圖是利用二進(jìn)制的一位來表示文件存儲空間中的一個物理塊的使用情況，當(dāng)其值為“0”時，表示對應(yīng)物理塊為空閑；為“1”時表示已分配。位示圖通常用m x n矩陣形式表示。8.4.2 位示圖位示圖8.4.3 空閑塊鏈空閑塊鏈空閑塊成組鏈接法分配空閑塊在UNIX系統(tǒng)啟動時，把文件卷的專用塊復(fù)制到內(nèi)存專用區(qū)，使得對空閑塊的分配與回收是在內(nèi)存中進(jìn)行，并實(shí)施于最后一組空閑塊。內(nèi)存空閑棧區(qū)的棧頂指針

9、ptr等于該組空閑塊的總塊數(shù)。當(dāng)申請者提出空閑塊的請求n時按照后進(jìn)先出的原則，執(zhí)行ptr = ptr - 1操作，分配ptr所指的塊號，并使內(nèi)存空閑棧區(qū)中總塊數(shù)減1。重復(fù)上述過程，直至堆棧中只剩下最后一個空閑塊號。當(dāng)堆棧中只剩下量后一個空閑塊號時，啟動I/O設(shè)備，系統(tǒng)將該塊中存放的下一組的塊號和總塊數(shù)讀入內(nèi)存專用區(qū)，再將該塊分配給申請者。系統(tǒng)重新設(shè)置ptr為新的當(dāng)前組空閑塊的總塊數(shù)，并繼續(xù)分配空閑塊?；厥湛臻e塊當(dāng)物理塊用完釋放時，要做回收工作?；厥杖栽趦?nèi)存專用區(qū)進(jìn)行。首先把回收塊的塊號填入棧頂，然后執(zhí)行ptr = ptr + 1操作。若堆棧已滿（空閑塊總數(shù)等于100），則表示該組已經(jīng)回收結(jié)束。

10、此時，如果還有新的物理塊需要回收，啟動I/O設(shè)備，把當(dāng)前組的總塊數(shù)和所有塊的塊號寫入新的待回收的塊中，專用區(qū)中空閑塊總塊數(shù)量“0”。然后，回收待回收塊，并作為新組的首塊。執(zhí)行ptr - 1操作，內(nèi)存空閑棧區(qū)中空閑塊總數(shù)加1。8.5 文件的共享文件的共享8.5.1 繞道法（軟鏈接法）繞道法（軟鏈接法）繞道法要求每個用戶處在當(dāng)前目錄下工作，用戶對所有文件的訪問都是相對于當(dāng)前目錄進(jìn)行的。當(dāng)所訪問的文件不在當(dāng)前目錄下時，可以通過“向上走”的方式去訪問其上級目錄。繞道法需要用戶指定到達(dá)所要共享文件的路徑名來實(shí)現(xiàn)共享，路徑名是由當(dāng)前目錄到信息文件通路上所有各級目錄的目錄名加上該信息文件的符號名組成。8.5

11、.2 鏈訪法（硬鏈接法）鏈訪法（硬鏈接法）為了提高對共享文件訪問的速度，用戶可在自己的文件目錄中對欲共享的文件建立相應(yīng)的表目，鏈接可在相應(yīng)的目錄表目之間進(jìn)行，即使一個目錄中的一個表目直接指向被共享文件所在的目錄表目，而不是直接指向文件，這種共享文件的方法稱為“鏈訪”。被共享的文件稱為“鏈訪文件”。在采用鏈訪法實(shí)現(xiàn)文件共享時，應(yīng)在文件說明中增加一個“鏈訪”屬性，以指示文件說明中的物理地址是一個指向共享文件目錄表項(xiàng)的指針。8.5.3 基本文件目錄和符號文件目錄結(jié)構(gòu)基本文件目錄和符號文件目錄結(jié)構(gòu)基本文件目錄和符號文件目錄結(jié)構(gòu)是把所有文件目錄的內(nèi)容分成兩部分：一部分包括文件的結(jié)構(gòu)信息、物理塊號、存取控

12、制和管理信息等文件說明，并用文件系統(tǒng)賦予的唯一的內(nèi)部標(biāo)識符來標(biāo)識；另一部分包括符號文件名和系統(tǒng)賦予的該文件的內(nèi)部標(biāo)識符組成。這兩部分分別稱為基本文件目錄表(BFD)和符號文件目錄表(SFD)。8.6 文件的保護(hù)機(jī)制文件的保護(hù)機(jī)制文件系統(tǒng)的存取控制部分應(yīng)完成：1防止未經(jīng)核準(zhǔn)的用戶存取文件。2防止一個用戶冒充另一個用戶存取文件。3防止被核準(zhǔn)的用戶（包括文件主）誤用文件，有意或無意地破壞文件。三步驗(yàn)證用戶的存取操作：1審定用戶的存取權(quán)限。2比較用戶的權(quán)限與本次存取要求是否一致。3一個文件的保密性體現(xiàn)在它的文件說明中的存取控制信息。8.6.1 文件存取控制矩陣文件存取控制矩陣所謂存取控制矩陣是一個二維

13、表。二維表的一維是所有的用戶，另一維列出系統(tǒng)的全部文件。二維表的每個元素則是用戶對文件的存取權(quán)限。通常存取權(quán)限包括可讀R、可寫w、可執(zhí)行X以及它們的任意組合8.6. 2 文件存取控制表文件存取控制表以文件為單位，把用戶按某種關(guān)系或工程項(xiàng)目類別劃分成為若干組（一般用戶均歸入“其它”用戶組），同時規(guī)定每組的存取權(quán)限。這樣，所有用戶組對文件權(quán)限的集合形成了一個二維表即文件存取控制表8.6. 3 用戶存取權(quán)限表用戶存取權(quán)限表用戶存取權(quán)限表是以用戶或用戶組為單位建立的存取控制表。即為一個或一組用戶對其所要存取的每一個文件所擁有的存取權(quán)限的集合 8.6.4 口令核對法口令核對法用戶在建立文件時，同時提供一

14、個口令，系統(tǒng)在為其建立目錄項(xiàng)時，相應(yīng)地附上這個口令。當(dāng)用戶請求訪問某個文件時，必須提供該文件的口令，系統(tǒng)把它和存放在相應(yīng)目錄項(xiàng)中的口令加以核對，如果不匹配，則拒絕訪問。 8.6.5 密碼技術(shù)密碼技術(shù)密碼技術(shù)的基本思想是偽裝信息，使未授權(quán)者不能解釋它的真實(shí)含義，而授權(quán)者卻能得到原本信息。為實(shí)現(xiàn)這一目的可采用對文件進(jìn)行一組可逆的數(shù)學(xué)變換達(dá)到。未加密的文件稱為明文，加密的文件稱為密文，加密在加密密鑰的控制下進(jìn)行。8.7 文件系統(tǒng)的安全性文件系統(tǒng)的安全性全量轉(zhuǎn)儲把文件存儲器中的全部文件定期（例如，每周、每天）復(fù)制到磁帶上。本方法優(yōu)點(diǎn)是簡單且可以在轉(zhuǎn)儲期間重新組織存儲介質(zhì)上的用戶文件，但該方法有以下缺點(diǎn)

15、：一方面，轉(zhuǎn)儲過程費(fèi)時，且轉(zhuǎn)儲時系統(tǒng)必須停止向用戶開放，即存在所謂備份窗口時間的問題。另一方面，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障破壞了文件信息，只能恢復(fù)最近一次轉(zhuǎn)儲的信息，卻丟失了從上次轉(zhuǎn)儲以來的新增加和修改的信息。8.7 文件系統(tǒng)的安全性文件系統(tǒng)的安全性增量轉(zhuǎn)儲為了縮短轉(zhuǎn)儲周期，可每隔一定時間，把上次轉(zhuǎn)儲以來修改過的文件和新增加的文件轉(zhuǎn)儲到磁盤上，即“增量轉(zhuǎn)儲”。通常系統(tǒng)對這些改過的和新增加的文件做上標(biāo)志，當(dāng)用戶退出時，將這些文件名提供給系統(tǒng)進(jìn)程，由它轉(zhuǎn)儲這些文件。8.8 文件的主要操作文件的主要操作8.8.1 文件創(chuàng)建和刪除文件創(chuàng)建和刪除1創(chuàng)建文件(1)查主目錄，若該用戶尚未有符號文件目錄，則首先應(yīng)建立符

16、號文件目錄。(2)查基本文件目錄，找一空表目，把相應(yīng)的標(biāo)識符分配給它。(3)在符號文件目錄中開辟一個表目，填上文件名和分配給它的標(biāo)識符。(4)調(diào)用存儲分配程序?yàn)槲募峙漭o存空間。假設(shè)系統(tǒng)在建立文件時，將為此文件分配所需的部分或全部文件空間。這里的設(shè)備號指出該文件建立在哪類設(shè)備上。(5)在基本文件目錄相應(yīng)的表目中，填上文件屬性等初值，并填上文件所在的物理地址。8.8.1 文件創(chuàng)建和刪除文件創(chuàng)建和刪除2刪除文件(1)在用戶符號文件目錄中刪去該文件的相應(yīng)表目。(2)釋放該文件所占用的存儲空間。(3)在基本文件目錄中刪除相應(yīng)的表目。8.8. 2 文件打開和關(guān)閉文件打開和關(guān)閉1打開文件(1)查找符號文件

17、目錄樹，找出該文件的表目。(2)在活動名字表和活動文件表中為該文件分配一個表目。將有關(guān)信息填入這兩張表中。(3)對于共享文件，將該文件的“當(dāng)前用戶數(shù)”加1。8.8. 2 文件打開和關(guān)閉文件打開和關(guān)閉2關(guān)閉文件(1)撤銷在主存的用戶活動名字表中的相應(yīng)表目內(nèi)容。(2)如在文件“打開”期間，該文件在內(nèi)存的活動文件表表目的內(nèi)容已作過某種修改，則將其回寫到磁盤上的基本文件目錄的相應(yīng)表目中去，并撤銷此表目的內(nèi)容。(3)對于共享文件，其關(guān)閉操作只是對內(nèi)存活動文件表中該文件的“用戶計數(shù)”減l，若減1后此值為“0”，則表示最后一個共享者在關(guān)閉文件，此時才撤銷活動文件表中此表目的內(nèi)容。8.8. 3 文件的讀和寫文件的讀和寫1讀文件(1)按文件名從活動名字表和活動文件表中找到該文件的說明（即目錄表目的內(nèi)容）。(2)按存取控制說明檢查本次訪問的合法性。(3)按文件說明中指出的文件邏輯組織和物理組織形式（例如，存放方式、記錄大小、起始物理塊號等）將欲讀的