計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)ch08

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)OperatingSystemofComputer第八章文件系統(tǒng)主要內(nèi)容：文件和文件系統(tǒng)文件邏輯結(jié)構(gòu)目錄管理文件共享文件保護(hù)知識(shí)點(diǎn)及要求：掌握文件系統(tǒng)的基本概念和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。要求掌握文件的邏輯結(jié)構(gòu)。掌握文件目錄。了解文件系統(tǒng)的概念、文件的使用、文件系統(tǒng)的層次模型。8.1文件和文件系統(tǒng)8.1.1引言在早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，人們直接用物理地址存放信息。存放信息時(shí)，要求用戶(hù)指出并記住信息存放在哪個(gè)設(shè)備的哪些磁道、哪些扇區(qū)上。在多用戶(hù)的環(huán)境中這幾乎是不可能的，更是不能忍受的。實(shí)際上對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，關(guān)心的不是信息的具體存放位置，而是存取方法的方便、可靠。不是信息的物理結(jié)構(gòu)而是信息的邏輯結(jié)構(gòu)。因此，引入文件和文件系統(tǒng)的概念，它是操作系統(tǒng)的重要組成部分。8.1.2文件1.文件的定義文件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中信息存放的一種組織形式，目前尚無(wú)嚴(yán)格的定義，下面給出兩種有代表性的解釋:文件是賦名的信息(數(shù)據(jù))項(xiàng)的集合。文件是賦名有關(guān)聯(lián)的信息單位(記錄)的集合。信息項(xiàng)信息項(xiàng)……...信息項(xiàng)……...信息項(xiàng)編號(hào)：01……i……n-1讀寫(xiě)指針這兩種解釋定義了兩種文件形式：前者說(shuō)明文件是由字節(jié)組成，這是一種無(wú)結(jié)構(gòu)的文件，或稱(chēng)流式文件。目前UNIX操作系統(tǒng)，MS-DOS系統(tǒng)均采用這種文件形式。后者說(shuō)明文件是由記錄組成。而記錄則是由一組相關(guān)信息項(xiàng)組成。例如每個(gè)學(xué)生的登記表可視為一個(gè)記錄，它包括學(xué)生姓名，出生年月，性別，籍貫等信息項(xiàng)。所有學(xué)生登記表組成一個(gè)學(xué)生文件。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)中，為方便用戶(hù)，把設(shè)備也作為文件來(lái)統(tǒng)一管理，從某種意義上說(shuō)已拓寬了文件的含義。一般情況下，一個(gè)文件是一組邏輯上具有完整意義的信息集合，并賦以一個(gè)文件名。文件名是一個(gè)字符串。2.文件的分類(lèi)1）以文件的用途分類(lèi)系統(tǒng)文件:指用操作系統(tǒng)的執(zhí)行程序和數(shù)據(jù)組成的文件，這種文件不對(duì)用戶(hù)開(kāi)放，僅供系統(tǒng)使用。庫(kù)文件：是指系統(tǒng)為用戶(hù)提供的各種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程和實(shí)用程序等。用戶(hù)只能使用這些文件，而無(wú)權(quán)對(duì)其進(jìn)行修改。用戶(hù)文件:由用戶(hù)的信息組成的文件，如源程序文件，數(shù)據(jù)文件等。這種文件的使用和修改權(quán)均屬于用戶(hù)。

2）從按文件的操作保護(hù)分類(lèi)只讀文件:只允許進(jìn)行讀操作。讀寫(xiě)文件:允許進(jìn)行讀寫(xiě)操作。不保護(hù)文件:不作任何操作限制。3）按文件的性質(zhì)分類(lèi)普通文件:指一般的用戶(hù)文件和系統(tǒng)文件。目錄文件:指由文件目錄項(xiàng)組成的文件。特別文件:有的系統(tǒng)把設(shè)備作為文件統(tǒng)一管理和使用，并為區(qū)別起見(jiàn)，把設(shè)備稱(chēng)為特別文件。UNIX操作系統(tǒng)把文件分成普通文件、目錄文件和特別文件。

3.文件屬性用一組信息指定文件的類(lèi)型、操作特性和存取保護(hù)等，把這組信息稱(chēng)為文件的屬性。文件的屬性一般存放在文件的目錄項(xiàng)中。例如MS-DOS系統(tǒng)中，文件屬性占目錄項(xiàng)的一個(gè)字節(jié)，在這個(gè)字節(jié)中，01表示文件僅讀，02表示隱含文件等。操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理文件的機(jī)構(gòu)稱(chēng)為文件系統(tǒng)。也有的文獻(xiàn)上叫信息系統(tǒng)。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)文件的創(chuàng)立、撤消、讀寫(xiě)、修改、復(fù)制和存取控制等，并管理存放文件的各種資源。

8.1.3文件系統(tǒng)8.2文件結(jié)構(gòu)8.2.1概述研究文件結(jié)構(gòu)有兩種觀點(diǎn)：用戶(hù)的觀點(diǎn)（文件的邏輯結(jié)構(gòu)）：主要研究用戶(hù)思維中的抽象文件，為用戶(hù)提供一種邏輯結(jié)構(gòu)清晰、使用簡(jiǎn)便的邏輯文件。用戶(hù)將按這種形式去存取、檢索和加工文件。例如用戶(hù)可將文件看作字節(jié)的集合?；蛘哂脩?hù)將文件看作記錄的集合。實(shí)現(xiàn)的觀點(diǎn)（文件的物理結(jié)構(gòu)）：主要研究駐留在存儲(chǔ)介質(zhì)上的文件的結(jié)構(gòu)。文件的物理結(jié)構(gòu)：文件的各個(gè)字節(jié)在存儲(chǔ)介質(zhì)上是如何擺放的。8.2.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)流式文件：基本信息單位是字節(jié)或字，其長(zhǎng)度是所含字節(jié)的數(shù)量。這種文件的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省存儲(chǔ)空間。在這種文件中無(wú)需額外的說(shuō)明和控制信息。記錄式文件：記錄式文件是一種結(jié)構(gòu)文件。由若干個(gè)記錄組成，文件中的記錄可按順序編號(hào)為記錄1，記錄2，……，記錄n。如果文件中所有記錄的長(zhǎng)度相等，則稱(chēng)為定長(zhǎng)記錄文件，文件的長(zhǎng)度為記錄個(gè)數(shù)與記錄長(zhǎng)度的積。若文件中的記錄長(zhǎng)度不相等，則稱(chēng)為變長(zhǎng)記錄文件。文件長(zhǎng)度為所有記錄長(zhǎng)度之和。相對(duì)流式文件而言，記錄式文件的使用不很方便，尤其是變長(zhǎng)記錄文件。另外在文件中還要有說(shuō)明記錄長(zhǎng)度的信息，這就浪費(fèi)了一部分存儲(chǔ)空間。因此許多現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)如UNIX操作系統(tǒng)等都取消了記錄式文件。2.文件的存取方法順序存取文件存取最簡(jiǎn)單的方法是順序存取，即嚴(yán)格按文件信息單位排列的順序依次存取。當(dāng)打開(kāi)文件時(shí)，文件的存取指針指向第一個(gè)信息單位，如第一個(gè)字節(jié)或第一個(gè)記錄，每存取一個(gè)信息單位存取指針加1指向下一個(gè)信息單位，如此類(lèi)推。隨機(jī)存取也稱(chēng)直接存取，每次存取操作時(shí)必須先確定存取的位置。對(duì)流式文件或定長(zhǎng)記錄的文件比較容易確定存取位置。對(duì)不定長(zhǎng)的記錄式文件比較麻煩。當(dāng)然可從第一個(gè)記錄開(kāi)始順序查詢(xún)，直到找到要存取的記錄為止，顯然這樣做是低效的。解決的方法是建立索引。文件的索引可以作為文件的一部分，也可以單獨(dú)建立索引文件。文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在物理存儲(chǔ)介質(zhì)上的結(jié)構(gòu)。連續(xù)結(jié)構(gòu)鏈接結(jié)構(gòu)索引結(jié)構(gòu)8.2.3文件的物理結(jié)構(gòu)1.連續(xù)結(jié)構(gòu)一個(gè)文件的全部信息存放在外存的一片連續(xù)編號(hào)的物理塊中，這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)為連續(xù)結(jié)構(gòu)，或稱(chēng)連續(xù)文件。存放在磁帶上的文件一般采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，即序號(hào)為I+1的物理塊一定在i物理塊之后。而存放在磁盤(pán)上的文件則可采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，也可采用別的結(jié)構(gòu)。建立連續(xù)文件時(shí)要求用戶(hù)給出文件的最大長(zhǎng)度，以便系統(tǒng)為文件分配足夠的存儲(chǔ)空間，并在相應(yīng)表格中登記文件的起始位置和長(zhǎng)度。示意圖012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址塊數(shù)count02tr143mail196list284f62文件目錄countftrmaillist優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單支持順序存取和隨機(jī)存取順序存取速度快所需的磁盤(pán)尋道次數(shù)和尋道時(shí)間最少缺點(diǎn)文件不易動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)預(yù)留空間:浪費(fèi)重新分配和移動(dòng)不利于文件插入和刪除外部碎片問(wèn)題存儲(chǔ)壓縮技術(shù)2.鏈接結(jié)構(gòu)這是一種非連續(xù)的結(jié)構(gòu)，存放文件信息的每一物理塊中有一個(gè)指針，指向下一個(gè)物理塊，這個(gè)指針的長(zhǎng)度由物理設(shè)備的容量決定，通常放在該物理塊的開(kāi)頭或結(jié)尾。文件名始址末址jeep925文件目錄01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125鏈接結(jié)構(gòu)的文件適用于順序存取。因?yàn)橐@得某一塊的塊號(hào)，必須讀取上一物理塊，因此要隨機(jī)地存取信息就較為困難。優(yōu)點(diǎn)：提高了磁盤(pán)空間利用率,不存在外部碎片問(wèn)題有利于文件插入和刪除有利于文件動(dòng)態(tài)擴(kuò)充缺點(diǎn)：存取速度慢，不適于隨機(jī)存取鏈接指針占用一定的空間可靠性問(wèn)題，如指針出錯(cuò)優(yōu)缺點(diǎn)文件分配表(FAT)將盤(pán)塊中的鏈接字按盤(pán)塊號(hào)的順序集中起來(lái)，構(gòu)成盤(pán)文件映射表/文件分配表。利用FAT可方便地進(jìn)行隨機(jī)存取。鏈接結(jié)構(gòu)的變形圖示FAT也要占用一定的存儲(chǔ)空間，若盤(pán)的容量較大，也可能占用較多的存儲(chǔ)空間。在進(jìn)行文件訪問(wèn)時(shí)，可能在內(nèi)存中裝不下整個(gè)FAT，這樣就會(huì)造成若要讀某塊文件信息時(shí)，還要讀盤(pán)塊映射表的操作，影響使用效率。在MS-DOS和Windows系統(tǒng)中，文件的物理結(jié)構(gòu)使用的是FAT結(jié)構(gòu)。將磁盤(pán)空間劃分為塊，每塊大小為扇區(qū)的整數(shù)倍。在FAT文件系統(tǒng)中塊稱(chēng)為簇。一個(gè)磁盤(pán)分區(qū)能分為多少簇則FAT就有多少表項(xiàng)。FAT的實(shí)例思考什么叫FAT16、FAT32？在FAT16中一簇最大64個(gè)扇區(qū)，為什么FAT16能管理的磁盤(pán)分區(qū)為2G？FAT32同F(xiàn)AT16相比有什么優(yōu)點(diǎn)？對(duì)于FAT16文件系統(tǒng)，若一個(gè)磁盤(pán)分區(qū)的大小為512M，問(wèn)一個(gè)簇最少要為多少個(gè)扇區(qū)？簇是大點(diǎn)好，還是小點(diǎn)好？3.索引結(jié)構(gòu)一個(gè)文件的信息存放在若干不連續(xù)物理塊中，系統(tǒng)為每個(gè)文件建立一個(gè)專(zhuān)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--索引表，并將這些塊的塊號(hào)存放在索引表中。一個(gè)索引表就是磁盤(pán)塊地址數(shù)組,其中第i個(gè)條目指向文件的第i塊。012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep19

91611025-1-1-119優(yōu)點(diǎn)保持了鏈接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又解決了其缺點(diǎn)。即能順序存取，又能隨機(jī)存取。滿足了文件動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)、插入刪除的要求。能充分利用外存空間。缺點(diǎn)索引表本身帶來(lái)了系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)如：內(nèi)外存空間，存取時(shí)間8.3目錄管理8.3.1基本概念文件控制塊（FCB）：文件控制塊是操作系統(tǒng)為管理文件而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了為管理文件所需的所有有關(guān)信息。文件控制塊是文件存在的標(biāo)志

FCB就是目錄表中的一個(gè)目錄項(xiàng)文件控制塊的內(nèi)容：文件名，文件號(hào)，用戶(hù)名，文件地址，文件長(zhǎng)度，文件類(lèi)型，文件屬性，共享計(jì)數(shù)，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后訪問(wèn)日期，口令，文件邏輯結(jié)構(gòu)，文件物理結(jié)構(gòu)等。文件目錄：把所有的FCB組織在一起，就構(gòu)成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合。目錄項(xiàng)：構(gòu)成文件目錄的項(xiàng)目（目錄項(xiàng)就是FCB）。目錄文件：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)文件目錄的管理，通常將文件目錄以文件的形式保存在外存，這個(gè)文件就叫目錄文件。8.3.2目錄結(jié)構(gòu)1.一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)為所有文件建立一個(gè)目錄文件（組成一線性表）文件名文件的物理位置日期時(shí)間其他信息C

bsc

Wps

……

優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)缺點(diǎn)：限制了用戶(hù)對(duì)文件的命名(重名問(wèn)題)

文件平均檢索時(shí)間長(zhǎng)限制了對(duì)文件的共享2.二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)二級(jí)文件目錄結(jié)構(gòu)把目錄分成主目錄和用戶(hù)文件目錄兩級(jí)。主目錄由用戶(hù)名和用戶(hù)文件目錄首地址組成，用戶(hù)文件目錄中登記相應(yīng)的用戶(hù)文件的目錄項(xiàng)。在二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)中，區(qū)別不同的文件除文件名外還有文件的用戶(hù)名，因此不同的用戶(hù)可以使用相同的文件名。例如用戶(hù)A中使用文件名LISH，用戶(hù)B也可使用文件名LISH，因?yàn)闃?biāo)識(shí)這兩個(gè)文件時(shí)還要加上用戶(hù)名，A：LISH和B：LISH，不致于造成混淆。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，也比較好地解決了重名的問(wèn)題。缺點(diǎn)：缺乏靈活性，特別是不能反映現(xiàn)實(shí)世界中多層次的關(guān)系。為此人們提出了多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，其中MULTICS及UNIX系統(tǒng)均采用了多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)，它們是當(dāng)前文件系統(tǒng)的典型而完美的代表。3.多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)由根目錄和各級(jí)目錄組成，為管理上的方便，除根目錄外，其它各級(jí)目錄均以文件的形式組成目錄文件。根目錄中的每個(gè)目錄項(xiàng)可以對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄文件，也可以對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)文件，同樣目錄文件中的每個(gè)目錄項(xiàng)可以對(duì)應(yīng)一個(gè)目錄文件。也可以對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)文件。如此類(lèi)推，就形成多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。也稱(chēng)樹(shù)形目錄結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中把根目錄稱(chēng)為根結(jié)點(diǎn)，把各級(jí)目錄文件稱(chēng)中間結(jié)點(diǎn)，用方框表示。數(shù)據(jù)文件稱(chēng)為葉結(jié)點(diǎn)，用圓圈表示。示意圖路徑名在多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)中一個(gè)文件的唯一標(biāo)識(shí)不再是文件名，而是從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)中間結(jié)點(diǎn)，到達(dá)某個(gè)葉結(jié)點(diǎn)的一條路徑。稱(chēng)這條路徑為文件的路徑名，它是文件的唯一標(biāo)識(shí)。路徑名由根目錄和所經(jīng)過(guò)的目錄名和文件名以及分隔符組成，通常使用分隔符/。例如/d1/f1，/d2/d5/f3，/f7工作目錄在多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)中，文件路徑名一般較長(zhǎng)，而用戶(hù)總是局部地使用文件，為了方便起見(jiàn)，可把經(jīng)常使用的文件所在的目錄指定為工作目錄(或稱(chēng)當(dāng)前目錄)。查詢(xún)時(shí)，若路徑名以/開(kāi)頭；則從根目錄開(kāi)始查找，否則從當(dāng)前目錄開(kāi)始查找。4.文件目錄改進(jìn)為加快目錄檢索可采用目錄項(xiàng)分解法：把FCB分成兩部分：符號(hào)目錄項(xiàng)（次部）文件名，文件號(hào)基本目錄項(xiàng)（主部）除文件名外的所有項(xiàng)目UNIX：i節(jié)點(diǎn)（索引節(jié)點(diǎn)）例子一個(gè)FCB有48個(gè)字節(jié)符號(hào)目錄項(xiàng)占8字節(jié)文件名6字節(jié)，文件號(hào)2字節(jié)基本目錄項(xiàng)占48-6=42字節(jié)假設(shè)，物理塊大小512字節(jié)解分解前：占512/48=10個(gè)FCB分解后：占512/8=64個(gè)符號(hào)目錄項(xiàng)或

512/42=12個(gè)基本目錄項(xiàng)

假設(shè)：目錄文件有128個(gè)目錄項(xiàng)分解前：占13塊分解后：符號(hào)文件占2塊基本文件占11塊查找一個(gè)文件的平均訪盤(pán)次數(shù)分解前：(1+13)/2=7次分解后：(1+2)/2+1=2.5次減少了訪問(wèn)硬盤(pán)的次數(shù)，提高了檢索速度8.4文件的共享所謂文件共享指系統(tǒng)允許多個(gè)用戶(hù)或進(jìn)程共享同一份文件。在系統(tǒng)中只需要保存共享文件的一個(gè)副本。如果系統(tǒng)不能提供文件共享功能，就意味著凡是需要該文件的用戶(hù)都要自備此文件的副本。文件共享的目的節(jié)省存儲(chǔ)空間進(jìn)程間通過(guò)文件交換信息鏈接技術(shù)實(shí)現(xiàn)文件共享從一個(gè)目錄項(xiàng)直接用一個(gè)指針（或編號(hào)）指向另一個(gè)目錄項(xiàng)達(dá)到共享文件的目的。這里需要擴(kuò)充目錄項(xiàng)，增加：用戶(hù)計(jì)數(shù)。用于記錄共享數(shù)量。

硬鏈接利用符號(hào)鏈實(shí)現(xiàn)文件共享用戶(hù)A為了共享用戶(hù)B的Bboot目錄下的一個(gè)文件f1.c，可以創(chuàng)建一個(gè)LINK類(lèi)型的新文件x，新文件x中僅包含被鏈接文件f1.c的路徑名。A用戶(hù)對(duì)新文件x的訪問(wèn)被系統(tǒng)重定位去訪問(wèn)B的文件f1.c。

軟鏈接文件x的內(nèi)容：/Bboot/f1.c優(yōu)勢(shì)：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可用問(wèn)題：系統(tǒng)開(kāi)