計算機文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)

本章內(nèi)容提要

■概述

■文件系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

■目錄結(jié)構(gòu)和目錄查詢

■文件和目錄操作

■文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

■管道文件

■文件系統(tǒng)的可靠性

6.1概述

6.1.1文件及其分類

1.文件

■通常存放在外存（如磁盤、磁帶）上，可以作為一個獨立單位存放和實施相

應的操作（如打開、關(guān)閉、讀、寫等）。

2.文件類型

文件分類方法

（1）按用途分類

①系統(tǒng)文件

②庫文件

③用戶文件

文件類型

(2)按文件中的數(shù)據(jù)形式分類

①源文件

②目標文件

③可執(zhí)行文件

(3)按存取權(quán)限分類

①只讀文件

②讀寫文件

③可執(zhí)行文件

(3)按存取權(quán)限分類

①只讀文件

②讀寫文件

③可執(zhí)行文件

(4)按保存時間分類

①臨時文件

②永久文件

文件類型

(5)在UNIX/Linux和MS-DOS系統(tǒng)中，按文件的內(nèi)部構(gòu)造和

處理方式分類

①普通文件——由表示程序、數(shù)據(jù)或文本的字符串構(gòu)成，內(nèi)部沒有

固定的結(jié)構(gòu)。

②目錄文件----由下屬文件的目錄項構(gòu)成的文件。

③特別文件——特指各種外部設(shè)備。

▲特別文件分為字符特別文件和塊特別文件。

▲普通文件通常分為ASCH文件和二進制文件。

?ASCII文件由只包含ASCII字符的正文行組成，每個正文行以回車符或

換行符終止，各行的長度可以不同。ASCII文件又稱文本文件。

?二進制文件所包含的每個字節(jié)可能有256(28)種值。

通常可執(zhí)行的二進制文件都有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

存檔文件是二進制文件的另一示例。

文件類型

Y---------16位-----A

幻數(shù)

正文長度

數(shù)據(jù)長度

BSS長度

符號表長度

入口

標志

正文

數(shù)據(jù)

重定位位

符號表

(a)一個可執(zhí)行文件

可執(zhí)行文件和存檔文件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

6.1.2文件命名

■用戶對文件也是“按名存取”的。

■不同系統(tǒng)對文件的命名規(guī)則是不同的。

■很多操作系統(tǒng)支持的文件名都由兩部分構(gòu)成：文

件名和擴展名，二者間用圓點分開。

6.1.2文件命名

常見文件擴展名及其含義

擴展名文件類型含義

exe,com,bin可執(zhí)行文件可以運行的機器語言程序

obj,o目標文件編譯過的、尚未連接的機器語言程序

c,cc,java,源文件用各種語言編寫的源代碼

pas,asm,a

bat,sh批文件由命令解釋程序處理的命令

txt,doc文本文件文本數(shù)據(jù)、文檔

wp,tex,rrf,字處理文檔文各種字處理器格式的文件

doc件

lib,a,so,dl1庫文件供程序員使用的例程庫

arc,zip,tar打印或視圖文以打印或可視格式保存的ASCII碼文

件件或二進制文件

arc,zip,tar存檔文件相關(guān)文件組成一個文件（有時壓縮）

進行存檔或存儲

mpeg,mov,rm多媒體文件包含聲音或A/V信息的二進制文件

6.1.3文件屬性

■文件屬性:描述文件特征的屬性

可能用到的文件屬性

屬性含義屬性含義

保護誰能訪問該文件，以何種方式訪臨時標志0表示正常，1表示進程結(jié)束時刪除

問文件

口令訪問該文件所需口令鎖標志。表示開鎖，非0表示上鎖

創(chuàng)建者文件創(chuàng)建者的標識記錄長度一個記錄的字節(jié)數(shù)

文件主當前文件主關(guān)鍵字位置每個記錄中關(guān)鍵字偏移

只讀標志0表示讀/寫，1表示只讀關(guān)鍵字長度關(guān)鍵字字段中字節(jié)數(shù)

隱藏標志0表示正常，1表示不在列表中顯創(chuàng)建時間創(chuàng)建文件的日期和時間

示

系統(tǒng)標志0表示一般文件，1表示系統(tǒng)文件最后存取時間最后存取文件的日期和時間

存檔標志0表示已經(jīng)后備，1表示需要后備最后修改時間最后修改文件的日期和時間

ASCI1/二進制0表示ASCII文件，1表示二進制當前長度文件字節(jié)數(shù)

標志文件

隨機存取標志0表示只能順序存取，1表示隨機最大長度文件允許最大字節(jié)數(shù)

存取

6.1.4文件存取方法

1.順序存取方法

J當前位置

開頭結(jié)尾

記錄1記錄2記錄3???記錄”

—讀或?qū)?/p>

順序存取定長記錄文件示意圖

■對定長記錄文件，有

rp/+i=0+/

順序存取方法

■對變長記錄文件

rp；+l=rp;+li

//是第/個記錄的長度。

甲|甲2

開頭,，結(jié)尾

記錄1記錄2記錄3???記錄m

一I

p-h-q-------h-------->???■*—1m—

順序存取變長記錄文件示意圖

2.隨機存取方法

■隨機存取文件方式允許以任意順序讀取文件中的

字節(jié)或記錄。

下一個位置

〃塊〃+i塊

隨機存取定長記錄文件示意圖

▲隨機存取文件方式允許以任意順序讀取文件中的字節(jié)或記錄

先要設(shè)置讀/寫指針的當前位置

隨機方式下讀/寫文件等操作都以塊號為參數(shù)

3.其他存取方法

■通常采用索引表組織方式

直接存取變長記錄文件的索引表結(jié)構(gòu)

▲對于大型文件，建立二級索引，即主索引文件包含的項是指向次索引文件

的指針，次索引文件包含的項才是指向?qū)嶋H數(shù)據(jù)項的指針。

6.1.5文件結(jié)構(gòu)

1.無結(jié)構(gòu)文件

______“一個字節(jié)—條記錄

AntFoxPig

CatCowDogGoatLionOwlPonyRatWorm

-X

HenIbisLamb

(a)字節(jié)序列無結(jié)構(gòu)文件(b)記錄序列有結(jié)構(gòu)文件(c)樹形文件

三種文件結(jié)構(gòu)示意圖

無結(jié)構(gòu)文件是指文件內(nèi)部不再劃分記錄，是由一組相關(guān)信息組成的有序

字符流，即流式文件。

2.有結(jié)構(gòu)文件

有結(jié)構(gòu)文件又稱記錄式文件。它在邏輯上可被看成一組連

續(xù)記錄的集合，即文件是由若干相關(guān)記錄組成，且對每個

記錄編上號碼

①定長記錄文件。

②變長記錄文件。

3.樹形文件

這種結(jié)構(gòu)的文件由一棵記錄樹構(gòu)成，各個記錄的長度可以

不同。

6.2文件系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)

6.2.1文件系統(tǒng)的功能

■文件管理系統(tǒng)，簡稱文件系統(tǒng)。

■操作系統(tǒng)中負責操縱和管理文件的一整套設(shè)施，它實現(xiàn)文件

的共享和保護，方便用戶“按名存取”。

■一般來說，文件系統(tǒng)應具備以下5種功能：

①文件管理。

②目錄管理。

③文件存儲空間管理。

④文件的共享和保護。

⑤提供方便的接口。

看待文件系統(tǒng)有不同的觀點，主要是用戶觀點（即外部使

用觀點）和系統(tǒng)觀點（即內(nèi)部設(shè)計觀點）。

6.2.2文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

6.3目錄結(jié)構(gòu)和目錄查詢

6.3.1文件控制塊和文件目錄

1.文件控制塊

■在文件系統(tǒng)內(nèi)部，給每個文件惟一地設(shè)置一個文件控制塊。

■通常由下列信息項組成：

①文件名

②文件類型

③位置

④大小

⑤保護信息

⑥使用計數(shù)

⑦時間

2.文件目錄

■為了加快對文件的檢索，往往修文件控制塊集中在一起進

行管理。這種文件控制塊的有序集合稱為文件目錄。文件

控制塊就是其中的J錄項。完全由目錄項構(gòu)成的文件稱為

目錄文件。

字節(jié)831102224

屬性時間日期首塊號

MS-DOS目錄項示意圖

字節(jié)14

文件名

I節(jié)點號

UNIX目錄項示意圖

6.3.2單級目錄結(jié)構(gòu)

■在這種組織方式下，全部文件都登記在同一目錄中。

文件1文件2文件n

單級目錄結(jié)構(gòu)示意圖

?優(yōu)點：簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)按名存取。

?缺點：①查找速度慢

②不允許重名

③不便于共享

6.3.3二級目錄結(jié)構(gòu)

?優(yōu)點：不同用戶可有相同的文件名；

提高了檢索目錄的速度；

不同用戶可用不同的文件名訪問系統(tǒng)中同一文件。

?缺點：這種結(jié)構(gòu)仍不利于文件共享。

6.3.4樹形目錄結(jié)構(gòu)

1.樹形目錄

從根目錄開始，一層一層

地擴展下去，形成一個樹〔'

形層次結(jié)構(gòu)，每個目錄的--

直接上一級目錄稱做該目

錄的父目錄，而它的直接

下一級目錄稱做子目錄。

樹形目錄結(jié)構(gòu)示意圖

2.路徑名

①絕對路徑名

又稱全路徑名，是指從根目錄開始到達所要查找文件的路徑名。

(root)/usr/ml/prog/f1.c

②相對路徑名

▲當前目錄(又稱工作目錄)

▲主目錄

■絕對路徑名從根目錄開始書寫，如：

/usr/ml/prog/f1.c

相對路徑名是從當前目錄的下級開始書寫，如當前目錄是/usr/ml,則有:

prog/f1.c

■文件的層次和隸屬關(guān)系很清晰，便于實現(xiàn)不同級別的存取保護和文件系

統(tǒng)的動態(tài)裝卸。

但是，在上述純樹形目錄結(jié)構(gòu)中，只能在用戶級對文件進行臨時共享。

6.3.5非循環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)

■它允許一個文件或目錄在多

個父目錄中占有項目，但并

不構(gòu)成環(huán)路。

■這種結(jié)構(gòu)方式叫做鏈接

(Link)。

■文件共享通過兩種鏈接方式

實現(xiàn)：①允許目錄項鏈接到

任一表示文件目錄的節(jié)點上;

②只允許鏈接到表示普通文

件的葉節(jié)點上。

非循環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)示意圖

6.3.6目錄查詢方法

1.線性檢索法又稱順序檢索法

線性檢索法簡單易行，但是速度慢。

2.散列法

散列法需要有目錄文件和散列表，每個散列值是由文件名

計算出來的，并且散列表項中有指向線性表中文件名的指

針。這種方法利用線性表存放目錄項（與線性法相同），

利用散列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行檢索。

▲簡便，減少了目錄查詢時間

▲需要預防沖突問題——即兩個文件名有相同的散列值。

▲主要困難是它有固定的大小，并且散列函數(shù)也依賴該大小。

6.4文件和目錄操作

6.4.1文件操作

1.創(chuàng)建文件create

2.刪除文件delete

3.打開文件open

4.關(guān)閉文件close

5.讀文件read

6.寫文件write

7.附加文件append

8.讀寫定位seek

9.取文件屬性get.attributes

10.置文件屬性set.attributes

11.重新命名文件rename

6.4.2目錄操作

1.創(chuàng)建目錄create

2.刪除目錄delete

3.打開目錄opendir

4.關(guān)閉目錄closedir

5.讀目錄readdir

6.重新命名目錄rename

7.鏈接文件link

8.解除鏈接un1ink

6.5文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

6.5.1文件系統(tǒng)的格式

1.文件系統(tǒng)的不同含義

▲功能定義：在操作系統(tǒng)內(nèi)部（通常在內(nèi)核中）用來對文件進行控制和管

理的一套機制及其實現(xiàn)。

▲具體實現(xiàn)和應用：文件系統(tǒng)指存儲介質(zhì)按照一種特定的文件格式加以構(gòu)造。

2.文件系統(tǒng)的格式

■硬盤分區(qū)

?通過對硬盤分區(qū)，多個操作系統(tǒng)可以共存于同一個硬盤中。

?當系統(tǒng)中硬盤容量較大時，使用分區(qū)可以提高硬盤的訪問效率。

?在不同分區(qū)上安裝不同的操作系統(tǒng)，能夠方便管理和維護。

■一般文件系統(tǒng)格式

一般文件系統(tǒng)格式示意圖

6.5.2文件存儲分配

■文件的物理組織涉及一個文件在存儲設(shè)備上是如何放置的。

它和文件的存取方法有密切關(guān)系，另外也取決于存儲設(shè)備

的物理持桂。

■文件的存儲分配涉及以下三個問題：

①當創(chuàng)建新文件時，是否一次性為該文件分配所需的最

大空間？

②為文件分配的空間可以是一個或多個連續(xù)的單位。

分配文件空間時應采用的單位有多大？

③為了記錄分配給各個文件的連續(xù)單位的情況，應該使

用哪種形式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或表格？

1.連續(xù)分配

____________FileA____

0|I11I21|3口41|

文件分配表

561I71I81|<)||

文件名起始塊長度

FileB

10?11?12.13,14||FileA23

FileB95

188

15|~~I16||17||18||19||FileC

FileD302

FileC

FileE263

20匚］21022||23||24||

________FileE________

251I261|27函28||29||

FileD

301|31||32||331|341

文件連續(xù)分配示意圖

連續(xù)分配

■采用連續(xù)分配方法可把邏輯文件中的信息順序地存放到一

組鄰接的物理盤塊中，這樣形成的物理文件稱為連續(xù)文件

（或順序文件）。

?優(yōu)點：在順序存取時速度較快，一次可以存取多個盤塊，改進了

I/O性能；也很容易直接存取文件中的任意一塊。

?缺點：

①要求建立文件時就確定它的長度，依此來分配相應的存儲空間，

這往往很難實現(xiàn)。

②它不便于文件的動態(tài)擴充。

③可能出現(xiàn)外部碎片。

■實現(xiàn)連續(xù)盤塊分配的策略

①最先適應算法

②最佳適應算法

③最近適應算法

2.鏈接分配

■把一個邏輯上連續(xù)的文件分散存放在不同的物理塊中，這些物理塊不

要求連續(xù)，也不必規(guī)則排列。

文件分配表

文件名起始塊最后塊

?????????

FileB128

3031323334

文件鏈接分配示意圖

鏈接分配

■這種物理結(jié)構(gòu)形式的文件稱做鏈接文件或串連文件。

■采用鏈接分配不會產(chǎn)生磁盤的外部碎片

■文件可以動態(tài)增長

■不需要緊縮磁盤空間

■帶來以下三個新的問題：

①一般僅適于對信息的順序訪問，而不利于對文件的隨

機存取。

②每個物理塊上增加一個鏈接字

③可靠性

鏈接分配

■FAT表出現(xiàn)在每個磁盤分區(qū)開頭的扇區(qū)中，每個盤塊在表中占一項。

每個盤塊在表中占一項，表的序號是物理盤塊號，每個表項中存放鏈

接下一盤塊的指針。這樣，F(xiàn)AT表就被用做鏈表。

*217

目錄項

end-ol-file

起始塊

盤塊號-1

文件分配表（FAT）示意圖

3.索引分配

?除了具備鏈接文件的優(yōu)

點外，還克服了它的缺點。

它可以方便地進行隨機存

取。

?這種組織形式需要增加

索引表帶來的空間開銷。

存取文件的速度受影響。

文件索引分配示意圖

4.多重索引文件分配

【節(jié)點數(shù)據(jù)塊

▲直接塊

間接塊

這種方法具有一般索引文件的優(yōu)

點，但也存在著間接索引需要多

次訪盤而影響速度的缺點。

UNIX的多重索引文件結(jié)構(gòu)示意圖

6.5.3空閑存儲空間的管理

1.空閑空間表法

（1）空閑空間表

序號第1個空閑塊號空閑塊個數(shù)物理塊號

12423,4,5

218118,19,20,21,22,23,24,25,26

3駕559,60,61,62,63

??**

?*■*?

空閑空間表示例

法

(2)空閑塊分配

(3)空閑塊回收

▲特別適于存放連續(xù)文件

▲若存儲空間有大量的小空閑區(qū)時，檢索效率降低。

會產(chǎn)生外存的外部碎片，造成磁盤空間的浪費。

2.空閑塊鏈接法

這種方法與串連文件結(jié)構(gòu)有

空閑塊鏈頭

相似之處，只是鏈上的盤塊

都是空閑塊而已。

易于實現(xiàn)

但其工作效率低

28□29□30□31口

空閑塊鏈接法示意圖

3.位示圖(BitMap)法

■它利用一串二進位值反映磁盤空間的分配情況，也稱位向

量(BitVector)法

■設(shè)下列盤塊是空閑的：

2,3,4,5,8,9,10,11,12,13,17,18,25,26,27,...

則位示圖向量是：

0011110011111100011000000111...

■塊號的計算公式如下：

字長x“0”值字數(shù)十首位“1”的偏移

4.空閑塊成組鏈接法

空閑塊成組鏈接

1502003950組長塊

(2)

(3)

空閑塊成組鏈接法分配過程示例

6.6管道文件

如：$whoIwc-1

5管道文件

■一個管道線就是連接兩個進

程的一個打開文件。一個進

程向該文件寫入信息，另一

個進程從該文件中讀出信息，

由系統(tǒng)自動處理二者間的同

步、調(diào)度和緩沖。

■pipe文件允許兩個進程按先

入先出(FIFO)的方式傳送

數(shù)據(jù)，而它們可以彼此不知

道對方的存在。

■創(chuàng)建pipe文件可有兩種方式：

▲無名管道文件

▲有名管道文件管道文件機制示意圖

6.7文件系統(tǒng)的可靠性

■文件系統(tǒng)受到破壞所造成的損失往往比計算機自身受到破壞的

損失還大

■造成數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)損壞的原因有多種

6.7.1磁盤壞塊管理

▲硬件方案是在磁盤的一個扇區(qū)上記載壞塊清單。

▲軟件方案需要用戶或文件系統(tǒng)仔細地構(gòu)造一個文

件，它包含全部壞塊

6.7.2后備

1.備份介質(zhì)

目前比較常用的備份介質(zhì)有軟盤、磁帶、光盤和硬盤等

2.備份策略

(1)完全備份

也稱簡單備份，即每隔一定時間就對系統(tǒng)做一次全面?zhèn)浞荨?/p>

(2)增量備份

在這種備份策略中，首先進行一次完全備份，然后每隔一個較短的時間段進

行一次備份，但僅僅備份在這段時間間隔內(nèi)修改過的數(shù)據(jù)。

(3)更新備份

增量備份是備份當天更改的數(shù)據(jù)，而更新備份是備份從上次進行完全備份后

至今更改的全部數(shù)據(jù)文件。

3.備份工具

在UNIX,Linux系統(tǒng)中，備份軟件有tar,