文件系統(tǒng)課件

第八章文件系統(tǒng)(FileSystem)

計算機系統(tǒng)中使用的大量程序和數據都以文件形式存放在

外存。操作系統(tǒng)中增加了文件管理功能即構成文件系統(tǒng)，

它負責管理在外存上的文件，并把對文件的存取共享和保

護等手段提供給操作系統(tǒng)和用戶，這不僅方便了用戶，保

證了文件的安全性，還或的效地提高系統(tǒng)資源的利用率。

教學要求：

對掌握文件和文件系統(tǒng)的定義，了解文件系統(tǒng)的類型、文件

系統(tǒng)模型和操作系統(tǒng)(Windows98/NT、Linux)對多種文

件系統(tǒng)的支持。

掌握文件的邏輯結構，熟悉五種記錄文件。

掌握文件控制塊和多級目錄結構，掌握UNIX樹型帶勾連的

目錄結構和可裝卸文件系統(tǒng)，了解Windows98VFAT目錄

結構。熟悉目錄查詢技術，掌握內存的目錄管理表，掌握

文件操作與目錄管理關系。

掌握基于索引節(jié)點的共享方式和利用符號連接的文件共

享。

掌握文件的存取控制，熟悉分級安全管理，了解文件的轉

儲和恢復，了解WindowsNT安全性。

8.1文件系統(tǒng)概述

組織數據結構

處理數據庫

存儲?文件系統(tǒng)

傳輸?計算機網絡

所有的計算機應用程序都要存儲、檢索信息。

3個基本要求：存儲大量信息/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它介質上。文件

通過OS管理。包括：文件的結構、命名、存取、使用、保護和實現方法等。

2種觀點：用戶觀點--文件系統(tǒng)如何呈現在其面前，一個文件如何組成，如何

命名，如何保護文件，可進行何種操作等。

OS觀點——文件目錄怎樣實現，怎樣管理存儲空間，文件存儲位置，

磁盤實際運作方式（與設備管理的接口）等。

8.1文件系統(tǒng)概述

（1）文件和文件系統(tǒng)

lo文件：

計算機系統(tǒng)對系統(tǒng)中軟件資源：無論是程序或數據、系統(tǒng)軟

件或應用軟件都以文件方式來管理。文件是存貯在某種介質

上的（如磁盤、磁帶等）并具有文件名的一組有序信息的集

合。文件名是由字符和數字組成的，例如MS-DOS中文件名由

三部分組成，格式如下：［〈盤符》］〈文件名》［.擴展名］。

格式［］中是可以省略，盤符為存放文件的磁盤驅動器

號，如用A:和C:分別表示軟盤和硬盤驅動器；文件名由ls8

個字符組成。擴展名為由”開始的「3個字符組成，

如.EXE表示可執(zhí)行的浮動代碼文件，.TXT表示ASCH碼文本文

件，.LIB表示庫文件，.BAT表示批處理文件等。

界文件名

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。

對文件名是一個有限長度的字符串。

DOS、WINDOWS系統(tǒng)中文件名：

對文件名,［文件擴展名］

文件名是一個不大于8個字符的字符串，但WINDOWS系

統(tǒng)中允許超長文件名，最多可有256個字符，不區(qū)分英文

邦字母的大小寫。

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

hust.txtII.cll.objll.exe

操作系統(tǒng)教學片0S8,ppt

UNIX系統(tǒng)中的文件名：

文件名是一個不大于14個字符的字符串。并且區(qū)分英文

字母的大小寫。

例如：unixlinuxII.ca.outaaAA

注意：在UNIX系統(tǒng)中文件名就是一個字符串，沒有文件名和文件擴

展名之分，文件的類型由用戶命名時確定。

例如，li.c,UNIX系統(tǒng)認為這個文件名的長度是4個字符。

而在DOS、WINDOWS系統(tǒng)中則解釋這個文件名，li是文件名，c是

文件擴展名，表示該文件是一個C語言的源程序文件，而,是文件名

和文件擴展名的分隔符。

2.與文件相關的概念

數據項(field)

數據項是描述一個對象的某些屬性的字符集，它是數據的基

本單位，一個數據項有一個值。

記錄(record)

記錄是一組相關數據項的集合，用于描述一個對象某方面的

屬性—

文件(file)|文件

文件是具有文件名的一組相關記錄的零勺―一

數據庫(database)記錄1...記錄N

數據庫是相關數據的集合。/

數據項??????數據項M

3o文件系統(tǒng)：

文件的分類

教材講了幾種文件分類的方法，P228

下面介紹UNIX系統(tǒng)文件分類方法：

1、普通文件

普通文件是無結構的字符的集合。

2、目錄文件

目錄文件是由文件的目錄項組成的文件。

3、特別文件

特別文件就是設備。（練習）

文件的屬性

文件屬性反映文件的類型、存取控制、等

UNIX系統(tǒng)中文件屬性：

-普通文件

d目錄文件

p管道文件

c字符型設備文件

b塊設備文件

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負責管理和存取文件信息的軟件

機構，它是由管理文件所需的數據結構和相應的管理軟

件以及訪問文件的一組操作組成。

從系統(tǒng)的角度看：從系統(tǒng)角度來看，文件系統(tǒng)是對文件存儲器的

存儲空間進行組織、分配和回收，負責文件的存儲、檢索、共享和保

護。

從用戶的角度看：文件系統(tǒng)是用戶在計算機上存儲信息

、和使用信息的接口。文件系統(tǒng)主要是實現“按名取存”，文件

系統(tǒng)的用戶只要知道所需文件的文件名，就可存取文件中的信息，而

完需知道這些文祚究竟卷放茬什么施方。

3文件系統(tǒng)

我通用文件系統(tǒng)應具有以下功育

我1、提供用戶對文件操作的命令；

并2、提供用戶共享文件的機制；

二3、管理文件的存儲介質；

4、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；

用5、提供文件及文件系統(tǒng)的備份和恢復功能；

6、提供對文件的加密和解密功能。

4文件操作

1)面向鍵盤的命令一COPY、DEL

2)面向用戶編程的若干系統(tǒng)調用命令組成,

READ()，WRITE()，OPEN()

5文件系統(tǒng)模型

文件系統(tǒng)接口

對對象操縱邏輯文件系統(tǒng)

和管理的軟

基本管理程序（文件組織模塊）

件集合I/O

基本文件系統(tǒng)（物理I/O層）

I/O控制層（設備驅動程序）

對象及其屬性說明

FileSystemSoftwareArchitecture

-------------------------

UserProgram

FileOrganizationFileLogicalStructure

…iIndexed

PlleSequentialsequentialIndexedHashed

LogicalI/O

BasicI/OSupervisor

Basic(Physical)FileSystem

DiskDeviceDriverTapeDeviceDriver

8.2文件的邏輯結構

文件的組織有兩種：

文件的邏輯結構：

文件的邏輯結構是指用戶思維中文件的結構。

文件的物理結構：

文件的物理結構是指文件在存儲介質上的結構（或稱組

織）。在當代，文件的存儲介質是磁盤，包括軟盤、硬

盤和光盤、磁帶，早期還有磁鼓。由于目前的磁帶是模

擬磁盤的結構，所以文件的物理結構主要是指磁盤上文

件的結構。

8.2文件的邏輯結構

一、文件的邏輯結構

文件的邏輯結構：

結構文件一一記錄式文件。

無結構文件一一流式文件

1、流式文件

無結構的流式文件是相關的有序字符的集合。文件的長

度為所含字符數。

UNIX、DOS、WINDOWS系統(tǒng)中的普通文件都是流式文

件。語言編程，以字符形式—行---流式文件中。

8.2文件的邏輯結構

書2、記錄式文件

記錄式文件是一種結構式文件，文件是記錄的集合.

每個記錄由彼此相關的域構成。記錄可按順序編號為記錄1,記錄

2,記錄n。如果文件中所有記錄的長度都相同，則這種文件為定

長記錄文件。

€定長記錄文件的長度=記錄個數x記錄長度。

€變長記錄文件的長度為各記錄長度之和。

例如：學生登記表文件xsdjb.dbf

姓名學號籍貫通信地址郵政編碼

g李銘925678武昌武昌關山街125號430074

司馬樂925679北京北京海軍路88號100034

8.2文件的邏輯結構

3、兩種文件的比較

流式文件就象給一張白紙給用戶，用戶可將他的信

息任

意地寫到紙上，沒有任何格式上的限制。

記錄式文件就象給一張表格給用戶，用戶要按表規(guī)

定的格式填信息。

記錄文件有順序、索引、索引順序、直接、分區(qū)和堆文件幾

神。

文件的邏輯結構T

1.順序文件(SequentialFile)：

順序文件的記錄定長，記錄中的數據項的類型長度與次序固

定，一般還有一個可以唯一標識記錄的數據項，稱為鍵

(key),記錄按鍵值的約定次序組織。順序文件常用于批處

理應用，對于查詢或更新某個記錄的請求的處理性能不佳。

2.索引文件(IndexedFile)：索引文件對主文件中的記錄

按需要的數據項(一個或幾個)建索引表。這時記錄可為不

定長的，它為每個記錄設置一個表項。索引文件本身是順序

文件組織。

3.索弓I順序文件(IndexedSequentialFile)：索引順序文

件是基于鍵的約定次序組織的，為之建立一張索引表，為每

個不同鍵值的記錄組的第一個記錄設置一個表項，為該組的

其它記錄設置了溢出區(qū)域，在溢出區(qū)域內記錄按順序文件方

式組織。它是順序文件和索引文件的結合。索引順序文件既

適用于交互方式應用，也適用于批處理方式應用。

（2）文件系統(tǒng)的類型

FAT文件系統(tǒng)（MS-DOS文件系統(tǒng)、msdos）

它是MS-DOS操作系統(tǒng)使用的文件系統(tǒng)，它也能由

Windows98/NT>linux、SCOUNIX等操作系統(tǒng)訪問。

文件地址以FAT表結構存放，文件目錄32B,文件名

為8個基本名加上一個和3個字符擴展名。

CNTFS（NT文件系統(tǒng)）

它是WindowsNT操作系統(tǒng)使用的文件系統(tǒng)，它具有

很強的安全特性和文件系統(tǒng)恢復功能，可以處理巨

大的存儲媒體，支持多種文件系統(tǒng)。

；.3文件的目錄管理

信息集合------文件名，用戶創(chuàng)建文件到外存“安營扎

寨”之后，如何滿足用戶“按名存取”，用戶只提供文件

名9?-------?

文件名文件?在外存的物理地址。

文件目錄完成

目錄管理的目標按名存取

’提高對文件的存取速度（合理安排目錄）

、文件共享

允許文件重名

8.3文件的目錄管理

8.3」文件控制塊FCB和索引結點

為了實現“按名存取”，系統(tǒng)必須為每個文件設置用于描述和

控制文件的數據結構，它至少要包括文件名和存放文件的盤物

理地址，這個數據結構稱為文件控制塊FCB,文件控制塊的有

序集合稱為文件目錄，即一個文件控制塊FCB就是一個文件目

錄項。FCB是OS為管理文件而設置的數據結構，存放了為管理

文件所需的所有有關信息。是文件存在的標志，與文件一一對

一、文件控制塊FCB

1、基本信息類

.文件名：標識一個文件的符號名，在每個系統(tǒng)中文件必須具有

唯一^的名字。

.文件的物理地址：這由于文件的物理結構不同而不同。對于連

續(xù)文件就是文件的起始塊號和文件總塊數；對于MS—DOS是文

件的起始簇號和文件總字節(jié)數；對于UNIXSV是文件所在設備

的設備號、13個地址項、文件長度和文件塊數等。

.文件邏輯結構

.文件物理結構

文件控制塊FCB

2.存取控制信息類___

文件的存取權限，象UNIX用戶分成文件主、同組

用戶和一般用戶三類，這三類用戶的讀寫執(zhí)行

(RWX)的權限。

3.使用信息類

文件建立日期、最后一次修改日期、最后一次訪

問的日期；當前使用的信息：打開文件的進程數，

在文件上的等待隊列等。

文件控制塊的信息因OS而不同.

文件控制塊FCB

二、索引結點

如上所述，一個FCB就是一個文件目錄項，若外存中含有多個

文件，多個文件又分別對應了不同的FCB,即都有各自的目錄

項。這些目錄項又組成了一個文件，稱為目錄文件。目錄文件

位于外存，文件多，目錄項也多，所以目錄文件很大，占用空

間盤塊（521B-4KB）大。由文件名+文件描述信息一起構成目

錄項時，一個目錄項占一定字節(jié)數。

文件控制塊FCB

查找目錄過程：

（1）存目錄文件的第一個盤塊的目錄項一內存。（每個盤塊含若干個目錄

項）

（2）用戶給出文件名與目錄項中文件名逐一比較，若未找到，再調下一個盤

塊中的目錄項。

設一個FCB為64字節(jié)，一個盤塊為1KB,則每個盤塊存放16個FCB,若一個目

錄文件含有3200個目錄項（FCB）,需占用200個盤塊。因此，找一個文件

平均啟動磁盤（200+1）/2次。效率低。

其實在查找目錄/文件過程中，只用到x件名，其它描述信息并不用到。所以

在UNIX中，把文件名和文件描述槨息分索引結點、I結點

目錄/文件名

I結點的對應指針

一個目錄項所占字節(jié)數大大減少，占16字節(jié)（14字節(jié)文件名、2字節(jié)指針），

1KB盤塊可存64個FCB,3200個FCB占50個盤塊，平均啟動磁盤（50+1）/2

次。

文件控制塊FCB

1磁盤索引結點（特指存放在外存上的索引結點）

UNIX系統(tǒng)中，一個文件存在

要占用如下資源：至少占用

1.各1上工節(jié)方點

一個文件目錄項；僅占用一《攻瓦暈弓I千點）

磁盤I節(jié)點；占用一個或多個文件所有者標志i_uid,i_gid

磁盤塊（物理塊）。文件存取許可權i_mode

文件瞬接數目i_ilink

時間和日期

文件的長度i_size

索引表i_addr[13]

文件控制塊FCB

2內存索引結點（特指存放在內存上的索引結點）

UNIX把某個文件打開后，

找到目錄項一文件名一索引結點一COPY到內存的索引結點。

?對文件快速操作。

關閉時，再把內存索引結點COPY到外存。

活動I節(jié)點內存索引節(jié)點狀態(tài)i_f1謔

i_flag打開文件的標志文件所在設備號i_dev

盤上I節(jié)點號i_nuniber

IL0CK：鎖位

引用計數i_count

IUPD：修改標志盤

文件所有者標志i_uid,i_gid

上

IM0UNT：安裝點文件存取許可權i_mode

…

IWANT：有進程等待文件聯(lián)接數目?

節(jié)

ITEXT：純正文段時間和日期i_atimei_mtiine點

icount:訪問計數文件的長度i_size內

索引表i_addr[13]容

inumber:I節(jié)點號

32目錄結構一一多級目錄

目錄結構的組織關系到文件系統(tǒng)的存取速度，關系到文件共

享性和安全性，因此組織好文件的目錄是設計文件系統(tǒng)的重

要環(huán)節(jié)。

lo單級目錄結構

最簡單的目錄結構是在整個文件系統(tǒng)中只建立一張目錄表，

每個文件占一個表目，這稱為單級目錄。單級目錄結構簡

單，能實現目錄管理的基本功能一按名存取，但存在查找速

度慢，不允許重名和不便于實現文件共享等缺點，因此它只

適用于單用戶環(huán)境。

32目錄結構一一多級目錄

Wang用戶目錄

2兩級目錄結構

|主文件目錄MFD文件名指針

［用戶文件目錄UFD

每個Alpha

一-

用戶Alpha

的文

Test*Test

件各

占一Zhang用戶目錄

個目Report

Report

錄項

Test?

優(yōu)點：(1)提高檢索速度，用戶數N+每個用戶文件數M。而單

級目錄為N*M。

(2)可重名。不同用戶目錄中，可使用相同文件名。如

Test,內容可以不一樣，但名字相同。

(3)對同一共享文件，不同用戶可使用不同文件名訪問。

缺點：多個用戶被隔開，不利于協(xié)作開發(fā)。

目錄結構一一多級目錄?1

2O多級目錄結構______________________________

目錄文件：由文件的目錄項組成的文件稱為目錄文件。

系統(tǒng)中有一個根目錄（或根目錄文件），在這個目錄中可登記

一般文件，也可以登記目錄文件，在每個目錄文件中可以登

記一般文件，也可以登記目錄文件。

根據這個遞歸定義就形成了一個倒立的樹的結構。對于一棵樹,

它有一個樹根（只有一個，根目錄），在樹根上可以長樹葉

（一般文件），也可以長樹枝（子目錄文件）；對于每個樹

技又可以長樹枝，也可以長樹葉。

重名問題：在多級目錄中存取一個文件需要用文件全名，這

就允許用戶在自己的目錄中使用與其它用戶文件相同的文件

名，由于各用戶使用不同的目錄，雖二者使用了相同的文件

名，但它們的文件全名仍不相同，這就解決了重名問題。

目錄結構一一多級目錄?2

路徑名：

一個文件的路徑名是由根目錄到

該文件的通路上所有目錄文件名

和該文件的符號名組成的。

DOSWINDOWS系統(tǒng)中文件路徑名

\A\R\T\B\IU\I

\D\B\P

UNIX系統(tǒng)中文件路徑名

/A/R/T/B/IU/I

/D/B/P

WR/T/A/HY/B/P

/B/IU/N/I)

數瀏覽-伊:)B0E3

文件夾X

■

fIUcwin「】cluster文件夾00-7-921:13

一

一

一

一

EI_|unzipped堂口并行計算文件夾00-6-200:25

3；

f口操作系統(tǒng)電子講稿文件夾

[±1I2LlWindows/00-6-200:25

冬口操作系統(tǒng)教材文件夾

IIZrm：00-6-200:26

%口操作系統(tǒng)試題

甲旗8:)&文件夾00-7-130:47

親

I?'0①:)$111歷史文檔文件夾00-6-200:27

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日目8：)

二口軟件技術基礎文件夾

一00-6-200:27

C_lcluster辮口研究生文件夾00-6-200:26

O并行計篁，雪

—2,360KBMicrosoftWord...00-8-720:46

田O操作系統(tǒng)電子講稿

U皆第/任urn系統(tǒng)存儲^理4,766KBMicrosoftWord一00-8-720:46

s0操作系統(tǒng)教材

口操作系統(tǒng)試題

s口歷史文檔

60軟件技術基礎

+"二j研究生

申后(G:)

國打印機

囪控制面板

SfWeb文件夾

國撥號網絡

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E臺我的文檔

甲InternetExplorer

困法網上鄰居

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MicrosoftPowerPoin.|3yMicrosoftWord-第|卜國瀏覽-?:)函國23:29

測開始I的6M0叫

目錄結構一一多級目錄?3

目錄結構一一多級目錄?4

采用多級目錄結構也提高了檢索目錄的速度：如采用單級目

錄則查找一個文件最多需查遍系統(tǒng)所有文件名，平均也要查

一半文件名。而多級目錄查找一個文件最多只要查遍文件路

徑上各目錄的子目錄和文件，例如上圖中要查找文件man,

只要查遍root目錄、usr目錄和lib目錄所在子目錄和文件就

可以。

相對路徑：每訪問一個文件都要使用從根目錄開始搜索直到

樹葉的數據文件為止，包含各中間子目錄的全路徑名是相當

麻煩的，同時由于一個進程運行時訪問的文件大多局限在某

個范圍，基于這一點，可為每個用戶（或每個進程）設置一

個“當前目錄”，又稱“工作目錄”。進程對各文件的訪問

都相對于“工作目錄”而設置路徑，這稱為相對路徑，用相

對路徑可縮短搜索路徑，提高搜索速度。

（練習）

8.3.4目錄管理

1.目錄查畫技術——__________

文件按名存取的步驟：

(1)首先用戶給系統(tǒng)提供文件名，對文件目錄進行查詢，找出

該文件的文件控制塊FCB,對UNIX系統(tǒng)一-索引節(jié)點。一個表

項不符合再找下一個表項直到找到為止。

(2)由FCB(對UNIX系統(tǒng)即是索引節(jié)點)中所記錄的文件物理

地址，并根據文件物理組織方式找出文件的盤塊號令文件在

磁盤上的物理位置(柱面號、磁頭號、扇區(qū)號)。

(3)最后啟動磁盤驅動程序，將所需文件讀入內存。

對目錄查詢的技術有兩種：線性檢索法和Hash法。這里介紹

UNIX中使用的線性檢索法，又稱為順序檢索法。針對單級目

錄和多級目錄。

文件系統(tǒng)的結構

°12k-1kk+1

。：引導塊；

1:特別塊（管理塊），存放磁盤的管理

和控制信息

2~K塊：I節(jié)點區(qū)，存放整個系統(tǒng)的I節(jié)點;

K+1塊~N-1塊：文件數據區(qū)，存放普通

文件和目錄文件。

UN【X文件系統(tǒng)結構圖

目錄查詢技術

下面以在P243圖8T1所示UNIX目錄中查找用戶給定文件路徑usr/ast/mbox為例介

紹線性檢索法。

1、首先系統(tǒng)讀入根索引節(jié)點（其索引節(jié)點號為1）,從文件地址項查找根目錄文

件所在物理塊號讀入內存。同時從用戶提供的文件名中讀入第一個文件分量

usr，用它與根目錄文件中各個目錄項的文件名順序地進行比較，從中找到匹

配號，得到匹配項的索引節(jié)點號為6。再從6號結點知usr目錄文件放在第132

號盤塊中。將132號盤塊讀入內存。

2、系統(tǒng)再把用戶提供的第二個文件分量ast讀入，用它與放在第132號盤塊中第

二級目錄文件中各個目錄項的文件名順序地進行比較，從中找到匹配號，得

到匹配項的索引節(jié)點號為26。再從26號結點知usr/ast目錄文件放在第406號

盤塊中。將406號盤塊讀入內存。

3、系統(tǒng)把用戶提供的第三個文件分量名inbox讀入，用它與406號盤塊中第三級目

錄文件中各個目錄項的文件名順序地進行比較，從中找出匹配號f60號I結

點。爾后，將磁盤第60號節(jié)點讀入內存，從中找出mbox文件所在的物理塊

號。目錄查詢操作到此結束，如果順序查找過程中發(fā)現一個文件分量名未能

找到，則仃止查找并送回“文件未找到”信息。（可畫圖）

（練習4）