湘潭大學(xué)操作系統(tǒng)第7章課件ppt

1計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第7章文件管理2目錄7.1概述7.2文件結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享和安全3教學(xué)目的了解文件系統(tǒng)的概念、文件的使用、文件系統(tǒng)的層次模型。掌握文件系統(tǒng)的基本概念和實(shí)現(xiàn)過程。掌握文件的邏輯結(jié)構(gòu)、物理組織及對不同類型文件的存取方法。掌握文件目錄查詢方法、文件共享及安全4文件管理計(jì)算機(jī)中使用到的大量數(shù)據(jù)和程序，都以文件的形式存放在外存當(dāng)中，需要使用時(shí)才將其調(diào)入內(nèi)存。要對外存上的大量文件進(jìn)行有效管理，不僅要熟悉外存的特性，還要了解文件的各種屬性以及它們在外存當(dāng)中的位置，并且在多用戶環(huán)境下，還要能保證數(shù)據(jù)的安全性和一致性。操作系統(tǒng)為文件管理的承擔(dān)者，專門負(fù)責(zé)管理在外存上的文件，并把對文件的存取、共享和保護(hù)等手段提供給用戶。即方便了用戶、保證了文件的安全性，還有效的提高了系統(tǒng)資源的利用率。57.1概述文件系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)存儲設(shè)備上組織文件的方法，是操作系統(tǒng)用于明確存儲設(shè)備或分區(qū)上的文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。具體地說，操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲文件信息的軟件模塊被稱為文件管理系統(tǒng)，簡稱文件系統(tǒng)。67.1概述文件系統(tǒng)由三部分組成：與文件管理有關(guān)軟件、被管理文件以及實(shí)施文件管理所需數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)角度來看，文件系統(tǒng)是對文件存儲設(shè)備的空間進(jìn)行組織和分配，負(fù)責(zé)文件存儲并對存入的文件進(jìn)行保護(hù)和檢索的系統(tǒng)。從功能角度來看，它負(fù)責(zé)為用戶建立文件，讀出、存入、修改、轉(zhuǎn)存文件，控制文件的存取，當(dāng)用戶不再使用時(shí)撤銷文件等。77.1.1文件文件系統(tǒng)的管理功能是將其管理的程序和數(shù)據(jù)通過組織為一系列文件的方式實(shí)現(xiàn)的。而文件則是指具有文件名的若干相關(guān)元素的集合。元素通常是記錄，而記錄又是一組有意義的數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合?？梢?，基于文件系統(tǒng)的概念，可以把數(shù)據(jù)組成分為數(shù)據(jù)項(xiàng)、記錄和文件三級。7.1.1文件

1.數(shù)據(jù)項(xiàng)

在文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)項(xiàng)是最低級的數(shù)據(jù)組織形式，可把它分成以下兩種類型：

(1)基本數(shù)據(jù)項(xiàng)。用于描述一個(gè)對象的某種屬性的字符集，是數(shù)據(jù)組織中可以命名的最小邏輯數(shù)據(jù)單位，又稱為數(shù)據(jù)元素或字段。例如描述學(xué)生的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)有：學(xué)號、年級等等。

(2)組合數(shù)據(jù)項(xiàng)。由若干個(gè)基本數(shù)據(jù)項(xiàng)組成，簡稱組項(xiàng)。例如工資這個(gè)組項(xiàng)就由基本工資、績效工資、獎(jiǎng)勵(lì)工資等組成。7.1.1文件

2.記錄

記錄是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，用于描述一個(gè)對象在某方面的屬性。一個(gè)記錄應(yīng)包含哪些數(shù)據(jù)項(xiàng)，取決于需要描述對象的哪個(gè)方面。由于對象所處的環(huán)境不同可把他作為不同的對象。

在諸多記錄中，為了能唯一地標(biāo)識一個(gè)記錄，必須在記錄的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)中，確定其中的一個(gè)或幾個(gè)項(xiàng)，把他們的集合稱為關(guān)鍵字。也即，關(guān)鍵字是能唯一標(biāo)識一個(gè)記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)集。7.1.1文件

3.文件

文件是指由創(chuàng)建者所定義的、具有文件名的一組相關(guān)元素的集合，可分為有結(jié)構(gòu)文件和無結(jié)構(gòu)文件兩種。在有結(jié)構(gòu)文件中，文件由若干相關(guān)記錄組成，無結(jié)構(gòu)文件則被看成是一個(gè)字符流。文件在文件系統(tǒng)中是一個(gè)最大的數(shù)據(jù)單位，描述了一個(gè)對象集。一個(gè)文件必須要有一個(gè)文件名，用戶利用文件名來訪問文件。

文件具有自己的屬性，屬性可包括：文件類型、文件長度、文件的物理位置、文件的建立時(shí)間。文件、記錄和數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的層次關(guān)系

文件名和擴(kuò)展名

(1)文件名。是一個(gè)字符串，用以標(biāo)識一個(gè)特定的數(shù)據(jù)集合。不同的OS對文件名的命名要求不一樣。

(2)擴(kuò)展名。是添加在文件名后面的若干個(gè)附加字符，又稱為后綴名，用于指示文件的類型，是文件名的組成部分。在大多數(shù)OS中，用“.”將文件名和后綴名分隔開。文件類型

1)按文件的用途分類

(1)系統(tǒng)文件，這是指由系統(tǒng)軟件構(gòu)成的文件。大多數(shù)的系統(tǒng)文件只允許用戶調(diào)用，但不允許用戶去讀，更不允許修改；有的系統(tǒng)文件不直接對用戶開放。

(2)用戶文件，指由用戶的源代碼、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件或數(shù)據(jù)等所構(gòu)成的文件。用戶將這些文件委托給系統(tǒng)保管。

(3)庫函數(shù)文件，這是由標(biāo)準(zhǔn)子例程及常用的例程等所構(gòu)成的文件。這類文件允許用戶調(diào)用，但不允許修改。文件類型

2)按文件的組織形式分類

(1)普通文件。普通文件主要是指文件的組織格式為文件系統(tǒng)所規(guī)定的最一般格式的文件，例如由字符流組成的文件。

(2)目錄文件。目錄文件是由文件的目錄構(gòu)成的特殊文件，是用來管理和實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)功能的系統(tǒng)文件。

(3)特殊文件。特指系統(tǒng)中的各類I/O設(shè)備。這些特殊文件的使用是和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序緊密相連的。操作系統(tǒng)會把對特殊文件的操作轉(zhuǎn)成為對應(yīng)設(shè)備的操作。文件類型

3)按文件中數(shù)據(jù)形式分類

(1)源文件，這是指由源程序和數(shù)據(jù)構(gòu)成的文件。通常，由終端或輸入設(shè)備輸入的源程序和數(shù)據(jù)所形成的文件都屬于源文件。它通常是由ASCII碼或漢字所組成的。

(2)目標(biāo)文件，這是指把源程序經(jīng)過編譯程序編譯過，但尚未經(jīng)過鏈接程序鏈接的目標(biāo)代碼所構(gòu)成的文件。目標(biāo)文件所使用的后綴名是“.obj”。

(3)可執(zhí)行文件，這是指把編譯后所產(chǎn)生的目標(biāo)代碼經(jīng)過鏈接程序鏈接后所形成的文件。其后綴名是?.exe。文件類型

4)按存取控制屬性分類

根據(jù)系統(tǒng)管理員或用戶所規(guī)定的存取控制屬性，可將文件分為三類：

(1)只執(zhí)行文件，該類文件只允許被核準(zhǔn)的用戶調(diào)用執(zhí)行，不允許讀和寫。

(2)只讀文件，該類文件只允許文件主及被核準(zhǔn)的用戶去讀，不允許寫。

(3)讀寫文件，這是指允許文件主和被核準(zhǔn)的用戶去讀或?qū)懙奈募?77.1.2文件系統(tǒng)

操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲文件信息的軟件模塊被稱為文件系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)組織、存取和保存信息的重要手段，負(fù)責(zé)文件的創(chuàng)建、撤銷、讀寫、修改、復(fù)制和存取控制等，它管理存放文件的各種資源，并且還負(fù)責(zé)對文件進(jìn)行按名存取控制。18圖7.1文件系統(tǒng)模型7.1.2文件系統(tǒng)19文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

文件系統(tǒng)是指含有大量的文件及其屬性的說明，對文件進(jìn)行操縱和管理的軟件，以及向用戶提供使用文件的接口等的集合。文件系統(tǒng)接口邏輯文件系統(tǒng)基本I/O管理程序（文件組織模塊）基本文件系統(tǒng)（物理I/O層）I/O控制層（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）對象及其屬性說明對對象操縱和管理的軟件集合（1）文件，文件管理的直接對象。（2）目錄，對目錄的組織和管理，是方便用戶和提高文件存取速度的關(guān)鍵。（3）磁盤（帶）存儲空間。文件系統(tǒng)的核心部分。文件系統(tǒng)的大部分功能，都是在這一層實(shí)現(xiàn)。通過接口提供了一組對文件和記錄操作的方法和手段，包括命令接口和程序接口兩類。文件系統(tǒng)的最底層，主要由磁盤（磁帶）驅(qū)動(dòng)程序組成。主要用于處理內(nèi)存與磁盤(帶)機(jī)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)塊的交換。完成與磁盤I/O有關(guān)的大量事務(wù)，有：選擇文件所在設(shè)備；進(jìn)行文件邏輯塊號到物理塊號的轉(zhuǎn)換；空閑盤塊的管理；I/O緩沖的制定。處理文件和記錄的相關(guān)操作。207.1.2文件系統(tǒng)引入文件和文件系統(tǒng)后，所有的程序和信息都以文件的形式存放在計(jì)算機(jī)中。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理這些文件，并把對文件的存取、共享和保護(hù)等手段通過操作系統(tǒng)提供給用戶。文件系統(tǒng)的有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）使用的方便性。文件系統(tǒng)具有按名存取的功能，能夠?qū)ξ募臀募夸泴?shí)施有效的管理，用戶不再需要考慮文件的存儲空間的分配。（2）較強(qiáng)的數(shù)據(jù)安全性。文件系統(tǒng)提供各種文件保護(hù)和共享措施，防止對文件的意外或有意的破壞。（3）接口的統(tǒng)一性。文件系統(tǒng)具有統(tǒng)一的接口，用戶可以利用統(tǒng)一的廣義指令和系統(tǒng)調(diào)用存取各種介質(zhì)上的文件，對文件的操作簡單、直觀，脫離了對存儲介質(zhì)的依賴。文件操作

1.最基本的文件操作

最基本的文件操作包含下述內(nèi)容：

(1)創(chuàng)建文件。

(2)刪除文件。

(3)讀文件。

(4)寫文件。

(5)設(shè)置文件的讀/寫位置。文件操作

2.文件的“打開”和“關(guān)閉”操作

當(dāng)前OS提供的大多數(shù)對文件的操作，其過程大致分為兩步：第一步是通過檢索文件目錄來找到指定文件的屬性及其在外存上的位置；第二步是對文件實(shí)施相應(yīng)的操作。為了避免多次重復(fù)地檢索目錄，引入“打開”(open)這一文件系統(tǒng)調(diào)用。

所謂“打開”是指在用戶和指定文件之間建立起一個(gè)鏈接。此后，用戶可通過該連接直接得到文件信息，從而避免了再次通過目錄檢索文件。同樣，如果用戶已不再需要對該文件實(shí)施相應(yīng)的操作，可以利用“關(guān)閉”(close)系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉文件，既斷開此鏈接，OS將把該文件從打開文件表中的表目上刪除掉。237.2文件結(jié)構(gòu)

文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者從不同的角度研究文件的結(jié)構(gòu)，根據(jù)視點(diǎn)的不同將文件的結(jié)構(gòu)分為邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。(1)邏輯結(jié)構(gòu)是指一個(gè)文件在用戶面前所呈現(xiàn)的形式，它主要為用戶提供一種邏輯結(jié)構(gòu)清晰、使用簡便的邏輯文件，用戶將按這種形式去存取、檢索和加工文件。(2)文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在文件存儲介質(zhì)上的存儲形式，主要研究駐留在存儲介質(zhì)上的文件的存儲結(jié)構(gòu)，選擇一些工作性能良好、設(shè)備利用率高的物理結(jié)構(gòu)。247.2.1邏輯結(jié)構(gòu)邏輯文件從結(jié)構(gòu)上分成二種形式：(1)無結(jié)構(gòu)的字符流式文件。這是一種無結(jié)構(gòu)文件，構(gòu)成文件的基本單位是字符，文件是有邏輯意義的、無結(jié)構(gòu)的一串字符的集合，其內(nèi)部不再劃分結(jié)構(gòu)。這可以理解為字符是該文件的基本信息單位，也可以將流式文件看成是記錄式文件的特例。這種文件的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省存儲空間。在這種文件中無須額外的輔助信息和控制信息。文件的所有意義必須由用戶層的程序來定義，這就給用戶提供了最大的靈活性。257.2.1邏輯結(jié)構(gòu)(2)有結(jié)構(gòu)的記錄式文件。有結(jié)構(gòu)的記錄式文件是一種結(jié)構(gòu)文件。由若干個(gè)記錄組成，用戶以記錄為單位來組織信息。每個(gè)記錄都用于描述實(shí)體集中的一個(gè)實(shí)體，各記錄著相同或不同數(shù)目的數(shù)據(jù)項(xiàng)。記錄長度可以分為定長和不定長兩類。

①定長記錄。文件中所有記錄的長度相同。

②變長記錄。文件中所有記錄的長度不同。267.2.1邏輯結(jié)構(gòu)相對字符流式文件而言，記錄式文件的使用不太方便，尤其是變長記錄文件。在記錄式文件中還要有說明記錄長度的信息，這就會產(chǎn)生一些額外的存儲開銷。對于字符流的無結(jié)構(gòu)文件來說，查找文件中的基本信息單位是比較困難的。但是，字符流的無結(jié)構(gòu)文件管理簡單，用戶可以方便地對其進(jìn)行操作。對基本信息單位操作不多的文件較適于采用字符流的無結(jié)構(gòu)方式。除了字符流的無結(jié)構(gòu)方式外，記錄式的有結(jié)構(gòu)文件可把文件中的記錄按各種不同的方式排列，構(gòu)成不同的邏輯結(jié)構(gòu)，以便用戶對文件中的記錄進(jìn)行修改、追加、查找和管理等操作。277.2.1邏輯結(jié)構(gòu)選取文件的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循下述原則：

當(dāng)用戶對文件信息進(jìn)行修改操作時(shí)，給定的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)能盡量減少對已存儲好的文件信息的變動(dòng)。應(yīng)能提高檢索速度,當(dāng)用戶需要對文件信息進(jìn)行操作時(shí)，給定的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)使文件系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)查找到需要查找的記錄或基本信息單位。要降低文件信息占據(jù)的存儲空間。要方便用戶操作。287.2.2物理結(jié)構(gòu)

文件的物理結(jié)構(gòu)又稱存儲結(jié)構(gòu)，是指文件在存儲器上的存儲組織形式，文件采用怎樣的物理結(jié)構(gòu)與存儲介質(zhì)的存儲特性有關(guān)。

用戶看到的是邏輯文件，處理的是邏輯記錄，按照邏輯文件形式去存儲、檢索和加工有關(guān)的文件信息，也就是說數(shù)據(jù)的邏輯結(jié)構(gòu)和組織是面向應(yīng)用程序的。但這種邏輯上的文件總得以不同方式保存到物理存儲設(shè)備，所以，文件的物理結(jié)構(gòu)和組織是指邏輯文件在物理存儲空間中的存放方法和組織關(guān)系。297.2.2物理結(jié)構(gòu)

文件物理結(jié)構(gòu)一般分為三種：順序結(jié)構(gòu)鏈接結(jié)構(gòu)索引結(jié)構(gòu)307.2.2物理結(jié)構(gòu)

1．順序結(jié)構(gòu)

順序結(jié)構(gòu)又稱連續(xù)結(jié)構(gòu)，是一種最簡單的物理文件結(jié)構(gòu)。如果一個(gè)邏輯文件的信息順序存放在文件存儲器上的相鄰物理塊，則稱該文件為順序文件或連續(xù)文件，這樣的結(jié)構(gòu)稱為順序結(jié)構(gòu)或連續(xù)結(jié)構(gòu)。圖7.2順序結(jié)構(gòu)317.2.2物理結(jié)構(gòu)

順序結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：順序文件的最佳應(yīng)用場合是在對文件中的記錄進(jìn)行批量存取時(shí)(即每次要讀或?qū)懸淮笈涗?。所有邏輯文件中順序文件的存取效率是最高的。此外，對于順序存儲設(shè)備(如磁帶)，也只有順序文件才能被存儲并能有效地工作。

在交互應(yīng)用場合，若用戶要求查找或修改單個(gè)記錄，這時(shí)順序文件表現(xiàn)出來的性能可能很差。其另一缺點(diǎn)是，若想要增加或修改一個(gè)記錄，都比較困難。解決的辦法是為順序文件配置一個(gè)運(yùn)行記錄文件，每隔一定時(shí)間就將運(yùn)行記錄文件與原來的主文件合并，產(chǎn)生一個(gè)按關(guān)鍵字排序的新文件。327.2.2物理結(jié)構(gòu)

2．鏈接結(jié)構(gòu)

鏈接結(jié)構(gòu)又稱串聯(lián)結(jié)構(gòu)，是一種物理上非連續(xù)的結(jié)構(gòu)，它將邏輯上連續(xù)的文件信息存放在外存的不連續(xù)物理塊中。鏈接結(jié)構(gòu)不要求所分配的各物理塊是連續(xù)的，也不必按順序排列。為了使系統(tǒng)能方便地找到邏輯上連續(xù)的下一塊的物理位置，在每個(gè)物理塊中設(shè)置一個(gè)指針，指向該文件的下一個(gè)物理塊號。圖7.3鏈接結(jié)構(gòu)337.2.2物理結(jié)構(gòu)

鏈接結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：文件可以方便的動(dòng)態(tài)增加或刪除，新建文件時(shí)，不必預(yù)留出文件的最大長度。由于可以不連續(xù)分配存儲空間，所以不會造成幾塊連續(xù)區(qū)域的浪費(fèi)。

缺點(diǎn)：是只適合順序存取，不便于直接存取；其次，為了找到后面物理塊的信息，必須從文件頭開始，逐一查找每個(gè)物理塊的鏈接字，以致降低了信息的查找速度；另外，由于在每個(gè)物理塊中部設(shè)置了鏈接字，破壞了物理信息的完整性。347.2.2物理結(jié)構(gòu)

3.索引結(jié)構(gòu)

索引結(jié)構(gòu)文件的組織方式是將一個(gè)文件的信息存放在若干個(gè)不連續(xù)的物理塊中，并為每個(gè)文件建立一個(gè)專用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)——索引表，其中每一表目指出文件邏輯記錄所在的物理塊號，并將這些物理塊號存放在索引表中。圖7.4索引結(jié)構(gòu)357.2.2物理結(jié)構(gòu)

索引結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)：

一個(gè)索引表事實(shí)上就是磁盤塊地址數(shù)組，其中第i個(gè)條目指向文件的第i個(gè)物理塊。

優(yōu)點(diǎn)：它保持了串聯(lián)結(jié)構(gòu)訪問快速的優(yōu)點(diǎn)，又解決了串聯(lián)結(jié)構(gòu)要求空間連續(xù)的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為既能順序存取，又能隨機(jī)存取，滿足了文件動(dòng)態(tài)增長、插入、刪除的要求，能充分地利用存儲空間，避免存儲設(shè)備資源的浪費(fèi)。

缺點(diǎn)：在于索引表本身帶來了系統(tǒng)開銷，例如為了存儲索引表導(dǎo)致內(nèi)存儲空間開銷增加。索引順序文件1.索引順序文件的特征

索引順序文件是對順序文件的一種改進(jìn)，它基本上克服了變長記錄的順序文件不能隨機(jī)訪問，以及不便于記錄的刪除和插入的缺點(diǎn)。但它仍保留了順序文件的關(guān)鍵特征，即記錄是按關(guān)鍵字的順序組織起來的。它又增加了兩個(gè)新特征：一個(gè)是引入了文件索引表，通過該表可以實(shí)現(xiàn)對索引順序文件的隨機(jī)訪問；另一個(gè)是增加了溢出(overflow)文件，用它來記錄新增加的、刪除的和修改的記錄。一級索引順序文件

最簡單的索引順序文件只使用了一級索引。其具體的建立方法是，首先將變長記錄順序文件中的所有記錄分為若干個(gè)組，如50個(gè)記錄為一個(gè)組。然后為順序文件建立一張索引表，并為每組中的第一個(gè)記錄在索引表中建立一個(gè)索引項(xiàng)，其中含有該記錄的關(guān)鍵字和指向該記錄的指針。

檢索時(shí)，首先利用用戶提供的關(guān)鍵字去檢索索引表，找到該記錄所在記錄組中第一個(gè)記錄的表項(xiàng)，從中得到該記錄組第一個(gè)記錄在主文件中的位置；然后再利用順序查找法去查找主文件，從中找到所要求的記錄。一級索引順序文件圖7-5索引順序文件兩級索引順序文件對于一個(gè)非常大的文件，為找到一個(gè)記錄而須查找的記錄數(shù)目仍然很多，例如，對于一個(gè)含有106個(gè)記錄的順序文件，當(dāng)把它作為索引順序文件時(shí)，為找到一個(gè)記錄，平均查找記錄非常大。為了進(jìn)一步提高檢索效率，可以為順序文件建立多級索引，即為索引文件再建立一張索引表，從而形成兩級索引表。407.2.4直接文件和哈希結(jié)構(gòu)

1.直接文件：采用前述幾種文件結(jié)構(gòu)對記錄進(jìn)行存取時(shí)，都須利用給定的記錄鍵值，先對線性表或鏈表進(jìn)行檢索，以找到指定記錄的物理地址。然而對于直接文件，則可根據(jù)給定的關(guān)鍵字直接獲得指定記錄的物理地址。換而言之，關(guān)鍵字本身就決定了記錄的物理地址。

2.哈希(Hash)文件：利用Hash函數(shù)(或稱散列函數(shù))將關(guān)鍵字轉(zhuǎn)換為相應(yīng)記錄的地址。但為了能實(shí)現(xiàn)文件存儲空間的動(dòng)態(tài)分配，通常由Hash函數(shù)所求得的并非是相應(yīng)記錄的地址，而是指向某一目錄表相應(yīng)表目的指針，該表目的內(nèi)容指向相應(yīng)記錄所在的物理塊。417.2.4文件存取方法

用戶通過對文件的存取操作實(shí)現(xiàn)對文件內(nèi)容的修改、添加和搜索等。常用的存取方法包括：順序存取法隨機(jī)存取法按鍵存取法427.2.3文件存取方法1.順序存取法是最簡單的存取法，嚴(yán)格按照文件信息單位排列的順序依次存取文件。它是早期的文件存取方式，一個(gè)進(jìn)程只能從頭開始順序讀取一個(gè)文件的所有字節(jié)和記錄。當(dāng)打開文件時(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，以此類推。順序存取法不便于對信息項(xiàng)的查找。順序存取是按照文件的邏輯地址順序存取，所以固定長記錄的順序存取就非常簡單。讀操作總是讀上一次讀出的文件的下一個(gè)記錄，同時(shí)，文件記錄讀指針向前推進(jìn)，以指向下一次要讀出的記錄位置。437.2.3文件存取方法1.順序存取法如果文件是可讀可寫的，就設(shè)置一個(gè)文件記錄指針，它總指向下一次要寫入記錄的存放位置，執(zhí)行寫操作時(shí)，將一個(gè)記錄寫到文件末端。允許對這種文件進(jìn)行前跳或后退N個(gè)記錄的操作。若當(dāng)前指針為rptr，L為文件記錄的長度，則前跳或后退N個(gè)記錄的指針計(jì)算公式為：

。對于可變長記錄的順序文件，每個(gè)記錄的長度信息存放于記錄前面一個(gè)單元中，它的存取操作分兩步進(jìn)行。讀出時(shí)，根據(jù)指針值得到存放記錄長度的單元。然后根據(jù)當(dāng)前記錄長度再把當(dāng)前記錄一起寫到指針指向的記錄位置，同時(shí)，調(diào)整寫指針值。447.2.3文件存取方法2.隨機(jī)存取法隨機(jī)存取法又稱直接存取法，每次存取操作必須先確定存取的位置。隨機(jī)存取法允許用戶根據(jù)記錄的編號來存取文件的任一記錄。隨機(jī)存取方式對于許多應(yīng)用來說是非常重要的，很多應(yīng)用場合要求以任意次序直接讀寫某個(gè)記錄。為了實(shí)現(xiàn)直接存取，一個(gè)文件可以看作由順序編號的物理塊組成的，這些塊通常劃成等長的物理塊。直接存取文件對讀或?qū)憠K的次序沒有限制。457.2.3文件存取方法3.按鍵存取法按鍵存取法是一種在復(fù)雜文件系統(tǒng)，特別是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的存取方法。在按鍵存取法中，文件的存取是根據(jù)給定的鍵進(jìn)行的。通常記錄按鍵的某種順序存放，例如，按代表健的字母先后次序來排序。除可采用按鍵存取外，也可以采用順序存取或直接存取的方法。無論采用哪種存取方法，都要先搜索到操作對象的邏輯地址，再將邏輯地址映射到相應(yīng)的物理地址，然后對物理地址中存放的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行操作。467.2.5常見的物理存儲設(shè)備

文件的物理結(jié)構(gòu)是指文件在外存上的存儲組織形式，它不僅與存儲介質(zhì)的存儲特性有關(guān)，而且與所采用的外存分配方式有關(guān)。

常見的存儲設(shè)備有磁盤、光盤、磁帶、U盤等，其中磁盤又包括硬盤和軟盤。477.2.5常見的物理存儲設(shè)備1.磁帶磁帶可以永久保存大容量的數(shù)據(jù)，是典型的順序存取設(shè)備。前面的物理塊被存取訪問之后，才能存取后續(xù)物理塊的內(nèi)容，所以磁帶的存取速度較慢，主要用于后備存儲。磁帶設(shè)備的存取速度或傳輸速率與信息密度、磁帶帶速和塊間間隙三個(gè)因素有關(guān)。信息密度大、帶速高、所需塊間間隙小，則磁帶的存取速度或傳輸速率就快。487.2.5常見的物理存儲設(shè)備2.磁盤磁盤是典型的隨機(jī)存取設(shè)備，存取磁盤上任一物理塊的時(shí)間不依賴于該物理塊所處的位置。磁盤由多個(gè)盤片組成，文件信息記錄在各個(gè)盤片的磁道上，在盤片的兩面都有磁頭用于讀取磁道上的數(shù)據(jù)，磁頭由一動(dòng)臂控制沿半徑方向移動(dòng)經(jīng)過各條磁道讀取各磁道上的信息。一次讀寫操作的完成過程由三個(gè)動(dòng)作組成。尋道，磁頭移動(dòng)定位到指定磁道。旋轉(zhuǎn)延遲，等待指定扇區(qū)從磁頭下旋轉(zhuǎn)經(jīng)過。數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實(shí)際傳輸。497.2.5常見的物理存儲設(shè)備3.光盤磁帶和磁盤采用的存儲介質(zhì)都是磁介質(zhì)，而光盤采用的存儲介質(zhì)是光介質(zhì)。光盤容量大，屬于便攜式的外部存儲設(shè)備。光盤的存取速度快、價(jià)格便宜，光盤有只讀、一次寫和可讀寫光盤三種。光盤的空間結(jié)構(gòu)與磁盤是類似的。507.2.5常見的物理存儲設(shè)備4.U盤U盤，全稱USB閃存盤，是基于USB接口、以閃存芯片為存儲介質(zhì)的無需驅(qū)動(dòng)器的新一代存儲設(shè)備。U盤體積小，適合隨身攜帶，可以隨時(shí)隨地、輕松交換資料數(shù)據(jù)，是理想的移動(dòng)辦公及數(shù)據(jù)存儲交換產(chǎn)品。517.2.5常見的物理存儲設(shè)備U盤的工作原理：USB端口負(fù)責(zé)連接電腦，是數(shù)據(jù)輸入或輸出的通道；主控芯片負(fù)責(zé)各部件的協(xié)調(diào)管理和下達(dá)各項(xiàng)操作指令，并使計(jì)算機(jī)將U盤識別為“可移動(dòng)磁盤”，是U盤的“大腦”；FLASH芯片是保存數(shù)據(jù)的實(shí)體，其特點(diǎn)是斷電后數(shù)據(jù)不會丟失，能長期保存；PCB底板是負(fù)責(zé)提供相應(yīng)處理數(shù)據(jù)平臺，且將各部件連接在一起。當(dāng)U盤被操作系統(tǒng)識別后，USB移動(dòng)存儲盤的數(shù)據(jù)傳輸工作包含上述幾個(gè)處理過程。527.3文件目錄對文件實(shí)施有效的管理主要是通過文件目錄實(shí)現(xiàn)的。文件目錄管理的主要目標(biāo)是：實(shí)現(xiàn)“按名存取”，即用戶只須向系統(tǒng)提供所需訪問文件的名字，便能快速準(zhǔn)確地找到指定文件在存儲設(shè)備上的存儲位置。提高對目錄的檢索速度。實(shí)現(xiàn)文件共享。在多用戶系統(tǒng)中，應(yīng)允許多個(gè)用戶共享一個(gè)文件。允許文件重名。系統(tǒng)應(yīng)允許不同用戶對不同文件采用相同的名字，以便于用戶按照自己的習(xí)慣命名文件和使用文件。537.3.1文件目錄內(nèi)容

1.文件控制塊FCB(FileControlBlock)：FCB是為文件設(shè)置的用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件與FCB一一對應(yīng)，而把FCB的有序集合稱為文件目錄。一個(gè)FCB就是一個(gè)文件目錄項(xiàng)。FCB包含如下三類信息：

1)基本信息類：包括文件名、文件物理位置（其中包括存放文件的設(shè)備名、文件在外存上的盤塊號、文件長度）、文件邏輯結(jié)構(gòu)、文件物理結(jié)構(gòu)。

2)存取控制信息類：包括文件主的存取權(quán)限、核準(zhǔn)用戶的存取權(quán)限、一般用戶的存取權(quán)限。

3)使用信息類：包括文件的建立日期和時(shí)間、文件上一次修改的日期和時(shí)間、當(dāng)前使用信息。547.3.1文件目錄內(nèi)容

2.索引節(jié)點(diǎn)

1)索引節(jié)點(diǎn)的引入

在檢索目錄文件的過程中，只需用到文件名，不需文件的描述信息，有些系統(tǒng)如UNIX，就把文件名和文件描述信息分開。把文件描述信息單獨(dú)形成一個(gè)稱之為索引節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡稱為i節(jié)點(diǎn)，而在文件目錄中的每個(gè)目錄項(xiàng)，則僅由文件名和指向該文件所對應(yīng)的i節(jié)點(diǎn)的指針?biāo)鶚?gòu)成。這樣為找到一個(gè)文件，可大大節(jié)省系統(tǒng)開銷。557.3.1文件目錄內(nèi)容2)索引節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容

索引節(jié)點(diǎn)是一個(gè)結(jié)構(gòu)，它包含了一個(gè)文件的長度、創(chuàng)建及修改時(shí)間、權(quán)限、所屬關(guān)系、磁盤中的位置等信息。一個(gè)文件系統(tǒng)維護(hù)了一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)的數(shù)組，每個(gè)文件或目錄都與索引節(jié)點(diǎn)數(shù)組中的唯一一個(gè)元素相對應(yīng)。系統(tǒng)給每個(gè)索引節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)號碼，也就是該節(jié)點(diǎn)在數(shù)組中的索引號，稱為索引節(jié)點(diǎn)號。567.3.1文件目錄內(nèi)容2)索引節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容

磁盤索引節(jié)點(diǎn)是存放在磁盤上的索引節(jié)點(diǎn)。每個(gè)文件有唯一的一個(gè)磁盤索引節(jié)點(diǎn)，主要包括：⑴文件主標(biāo)識符；⑵文件類型；⑶文件存取權(quán)限；⑷文件物理地址；⑸文件長度；⑹文件連接計(jì)數(shù)；⑺文件存取時(shí)間。

內(nèi)存索引節(jié)點(diǎn)指存放在內(nèi)存的索引節(jié)點(diǎn)。文件被打開時(shí)，要將磁盤索引節(jié)點(diǎn)拷貝到內(nèi)存的索引節(jié)點(diǎn)中，以便于以后使用。其包括的內(nèi)容有：⑴索引節(jié)點(diǎn)編號；⑵狀態(tài)；⑶訪問計(jì)數(shù)；⑷文件所在設(shè)備的邏輯設(shè)備號；⑸鏈接指針。577.3.2目錄結(jié)構(gòu)

文件的目錄結(jié)構(gòu)的組織，關(guān)系到文件系統(tǒng)的存取速度，也關(guān)系到文件的共享性和安全性。

常用的目錄結(jié)構(gòu)形式有單級目錄、兩級目錄、多級目錄和無環(huán)圖目錄。1.單級目錄結(jié)構(gòu)這是最簡單的目錄結(jié)構(gòu)。在整個(gè)系統(tǒng)中只建立一張目錄表，為每個(gè)文件分配一個(gè)目錄項(xiàng)。

目錄項(xiàng)中含文件名、文件擴(kuò)展名、文件長度、文件類型、文件物理地址以及其它文件屬性。587.3.2目錄結(jié)構(gòu)

單級目錄結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是簡單，缺點(diǎn)則有：查找速度慢、不允許重名、不便于實(shí)現(xiàn)文件共享。只適用于單用戶環(huán)境。文件名物理地址文件說明狀態(tài)位AlphaReportText2.兩級文件目錄

兩級目錄結(jié)構(gòu)如圖：用戶名子目錄指針WangZhangGaoAlphaTestReportTestBetaDeviMisxWang用戶目錄AlphaTestReportTestBeta優(yōu)點(diǎn)是提高了檢索目錄的速度、在不同的用戶目錄中可以使用相同的文件名、不同用戶可使用不同的文件名來訪問系統(tǒng)中的同一個(gè)共享文件。缺點(diǎn)是當(dāng)多個(gè)用戶之間要相互合作去完成同一個(gè)大任務(wù)，且一用戶又要去訪訪問其他用戶文件時(shí)，用戶目錄之間的隔離使諸用戶之間不便于共享文件。GaoUFD主文件目錄MFD602.兩級文件目錄

圖7.7兩級目錄結(jié)構(gòu)3.多級目錄結(jié)構(gòu)1)樹形目錄

通常把三級及以上的文件目錄結(jié)構(gòu)稱為樹型結(jié)構(gòu)的目錄。它具有檢索效率高、允許重名、便于實(shí)現(xiàn)文件共享等一系列優(yōu)點(diǎn)。

主目錄在樹型目錄結(jié)構(gòu)中，作為樹的根節(jié)點(diǎn)，稱為根目錄。數(shù)據(jù)文件作為樹葉，其他所有目錄均作為樹的節(jié)點(diǎn)。樹形目錄結(jié)構(gòu)：ABCABDFEDGAJNKJMKAHFAC123456789101311121415161718192021

為提高文件系統(tǒng)的靈活性，應(yīng)允許把一個(gè)目錄文件中的目錄項(xiàng)，既能作為目錄文件的FCB又能作為數(shù)據(jù)文件的FCB，具體是哪一種FCB，可用目錄項(xiàng)中的一位來表示。例如，在用戶A的總目錄中，目錄A是目錄文件的FCB，而目錄B和D，則是數(shù)據(jù)文件的FCB。3.多級目錄結(jié)構(gòu)2)路徑名

在樹形結(jié)構(gòu)目錄中，從根目錄到任何數(shù)據(jù)文件都只有一條唯一的通路。在該路徑上，從樹的根(即主目錄)開始，把全部目錄文件名與數(shù)據(jù)文件名依次地用“/”連接起來，即構(gòu)成該數(shù)據(jù)文件唯一的路徑名。

3)當(dāng)前目錄

又稱為工作目錄，是樹型目錄結(jié)構(gòu)中的某個(gè)結(jié)點(diǎn)。進(jìn)程對各文件的訪問都是相對于當(dāng)前目錄進(jìn)行的。此時(shí)對各文件所使用的路徑名，只需從當(dāng)前目錄開始，再逐級通過中間的目錄文件，最后達(dá)到所要訪問的數(shù)據(jù)文件。將這一路徑上的全部目錄文件名與數(shù)據(jù)文件名用“/”連接而成的路徑名稱為相對路徑名。相應(yīng)地，從樹根開始的路徑名稱為絕對路徑名。643.多級目錄結(jié)構(gòu)4)增加和刪除目錄

在樹型目錄中，對于一個(gè)已不再需要的目錄，應(yīng)如何刪除其目錄項(xiàng)，須視情況而定。不刪除非空目錄。當(dāng)目錄不空時(shí)，不能將其刪除，而為了刪除一個(gè)非空目錄，必須先刪除目錄中的所有文件，使之先成為空目錄，然后再予以刪除。如果目錄中還包含有子目錄，還必須采取遞歸調(diào)用方式來將其刪除?？蓜h除非空目錄。當(dāng)要?jiǎng)h除一個(gè)目錄時(shí)，如果在該目錄中還包含有文件，則目錄中的所有文件和子目錄也同時(shí)被刪除。此操作較危險(xiǎn)。654.無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)樹形目錄結(jié)構(gòu)可便于實(shí)現(xiàn)文件分類，但不利于實(shí)現(xiàn)文件共享，為此在樹形目錄結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一些指向同一結(jié)點(diǎn)的有向邊，使整個(gè)目錄成為一個(gè)有向無環(huán)圖。引入無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)是為了更好的實(shí)現(xiàn)文件共享。圖7.9無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)664.無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)當(dāng)某用戶要求刪除一個(gè)共享結(jié)點(diǎn)時(shí)，若系統(tǒng)只是簡單地將它刪除，則當(dāng)另一共享用戶需要訪問時(shí)，就無法找到這個(gè)文件，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生錯(cuò)誤。為每個(gè)共享結(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)共享計(jì)數(shù)器，每當(dāng)圖中增加對該結(jié)點(diǎn)的共享鏈時(shí)，計(jì)數(shù)器加1；每當(dāng)某用戶提出刪除該結(jié)點(diǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)器減1。僅當(dāng)共享計(jì)數(shù)器為0時(shí)，才真正刪除該結(jié)點(diǎn)，否則僅刪除請求用戶的共享鏈。共享文件不同于文件拷貝。如果有兩個(gè)文件拷貝，每個(gè)程序員看到的是拷貝而不是原件；但如果一個(gè)文件被修改，那么另一個(gè)程序員的拷貝不會有改變。對于共享文件，只存在一個(gè)真正文件，任何改變都會為其他用戶所見。無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)方便實(shí)現(xiàn)了文件的共享，但使得系統(tǒng)的管理變得更加復(fù)雜。677.3.3目錄查詢當(dāng)用戶要訪問一個(gè)已存在文件時(shí)：首先，系統(tǒng)利用用戶提供的文件名對目錄進(jìn)行查詢，找出該文件的文件控制塊及對應(yīng)索引結(jié)點(diǎn)；其次，根據(jù)文件控制塊或索引結(jié)點(diǎn)中所記錄的文件物理地址，通過磁盤驅(qū)動(dòng)程序，將所需文件讀入內(nèi)存。目前對目錄進(jìn)行查詢的方式有兩種

線性檢索法

Hash方法

1.線性檢索法線性檢索法又稱為順序檢索法。在單級目錄中，利用用戶提供的文件名，用順序查找法直接從文件目錄中找到指名文件的目錄項(xiàng)。在樹形目錄中，用戶提供的文件名是由多個(gè)文件分量名組成的路徑名，此時(shí)需對多級目錄進(jìn)行查找。

假定用戶給定的文件路徑名是?/usr/ast/mbox，則查找?/usr/ast/mbox文件的過程如圖所示。1·1‥4Bin7Dev14Lib9Etc6Usr8tmp根目錄132索引結(jié)點(diǎn)6是/usr的目錄6·1‥19Disk30Erik51Jim26Ast45bal132#塊是/usr的目錄

496索引結(jié)點(diǎn)26是/usr/ast目錄26·6‥64Grant92Books60Mbox81Minix17Src496#塊是/usr/ast目錄線性檢索法的例子：查找/usr/ast/mbox的步驟1.線性檢索法線性檢索法的例子：查找/usr/ast/mbox的步驟1.線性檢索法2.Hash方法

在之前介紹了Hash文件。如果我們建立了一張Hash索引文件目錄，便可利用Hash方法進(jìn)行查詢，即系統(tǒng)利用用戶提供的文件名，并將它變換為文件目錄的索引值，再利用該索引值到目錄中去查找，這樣將顯著地提高檢索速度。722.Hash方法在進(jìn)行文件名的轉(zhuǎn)換時(shí)，有可能把n個(gè)不同的文件名轉(zhuǎn)換為相同的Hash值，即出現(xiàn)所謂的“沖突”，處理的規(guī)則：在利用Hash法索引查找目錄時(shí)，如果目錄表中相應(yīng)的目錄項(xiàng)是空的，則表示系統(tǒng)中并無指定文件；如果目錄項(xiàng)中的文件名與指定文件名相匹配，則表示該目錄項(xiàng)正是所要尋找的文件所對應(yīng)的目錄項(xiàng)，故而可從中找到該文件所在的物理地址；如果在目錄表的相應(yīng)目錄項(xiàng)中的文件名與指定文件名并不匹配，則表示發(fā)生了“沖突”，此時(shí)須將其Hash值再加上一個(gè)特定常數(shù)，形成新的索引值，再返回到第一步重新開始查找。737.4文件共享和安全

文件共享是指多個(gè)用戶可以共同使用某一個(gè)或多個(gè)文件。文件共享不僅是多個(gè)用戶共同完成某一任務(wù)所必需的，而且能節(jié)省大量存儲空間，同時(shí)也為用戶使用文件提供了極大的方便。因此，文件共享是衡量文件系統(tǒng)性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

由于文件實(shí)現(xiàn)了共享，文件的安全性就遭到了威脅，因此必須對文件進(jìn)行保護(hù)。文件保護(hù)是指文件不得被未經(jīng)授權(quán)的任何用戶存取，對于授權(quán)用戶也只能在其允許的存取權(quán)限范圍內(nèi)使用文件。747.4.1文件共享1．利用符號鏈實(shí)現(xiàn)文件共享2．基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方法1.利用符號鏈接實(shí)現(xiàn)文件共享1)利用符號鏈接的基本思想

利用符號鏈接實(shí)現(xiàn)文件共享的基本思想，是允許一個(gè)文件或子目錄有多個(gè)父目錄，但其中僅有一個(gè)作為主(屬主)父目錄，其它的幾個(gè)父目錄都是通過符號鏈接方式與之相鏈接的(簡稱鏈接父目錄)。使用符號鏈接的目錄層次1.利用符號鏈接實(shí)現(xiàn)文件共享2)如何利用符號鏈實(shí)現(xiàn)共享

為使鏈接父目錄D5能共享文件F，可以由系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)LINK類型的新文件，也取名為F，并將F寫入鏈接父目錄D5中，以實(shí)現(xiàn)D5與文件F8的鏈接。在新文件F中只包含被鏈接文件F8的路徑名。這樣的鏈接方法被稱為符號鏈接。新文件F中的路徑名則只被看做是符號鏈。當(dāng)用戶通過D5訪問被鏈接的文件F8，且正要讀LINK類新文件時(shí)，此要求將被OS截獲，OS根據(jù)新文件中的路徑名去找到文件F8，然后對它進(jìn)行讀(寫)，這樣就實(shí)現(xiàn)了用戶B對文件F的共享。1.利用符號鏈接實(shí)現(xiàn)文件共享3)利用符號鏈實(shí)現(xiàn)共享的優(yōu)點(diǎn)

在利用符號鏈方式實(shí)現(xiàn)文件共享時(shí)，只是文件主才擁有指向其索引節(jié)點(diǎn)的指針；而共享該文件的其他用戶則只有該文件的路徑名，并不擁有指向其索引節(jié)點(diǎn)的指針。這樣，也就不會發(fā)生在文件主刪除一共享文件后留下一懸空指針的情況。4)利用符號鏈的共享方式存在的問題

利用符號鏈的共享方式也存在著一些問題：每次訪問文件的開銷大，增加了磁盤啟動(dòng)的頻率，LINK類型文件要消費(fèi)一定的磁盤空間。一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是能夠用于鏈接世界上任何地方的機(jī)器中的文件。1.利用符號鏈接實(shí)現(xiàn)文件共享2.基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方式為了解決這個(gè)問題，可以引用索引節(jié)點(diǎn)，即諸如文件的物理地址及其它的文件屬性等信息，不再是放在目錄項(xiàng)中，而是放在索引節(jié)點(diǎn)中。在文件目錄中只設(shè)置文件名及指向相應(yīng)索引節(jié)點(diǎn)的指針，如圖7-11所示。此時(shí)由任何用戶對文件進(jìn)行Append操作或修改，所引起的相應(yīng)索引節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的改變，如新增盤塊號等，都是其他用戶可見的，從而也就能提供給其他用戶共享。在索引節(jié)點(diǎn)中應(yīng)有一個(gè)鏈接計(jì)數(shù)，表示鏈接到本索引節(jié)點(diǎn)上的用戶目錄項(xiàng)的數(shù)目。圖7.11基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方式2.基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方式進(jìn)程B鏈接前后的情況2.基于索引節(jié)點(diǎn)的共享方式在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，存放了越來越多的寶貴信息供用戶使用，給人們帶來了極大的好處和方便，但同時(shí)也有著潛在的不安全性。影響文件安全性的主要因素有：

(1)