操作系統(tǒng)第六章文件管理一

第六章文件管理

信息是計算機系統(tǒng)中的重要資源。操作系統(tǒng)中的一個重要組成部分——文件系統(tǒng)，就負(fù)責(zé)信息的組織、存儲和訪問。

本章的主要內(nèi)容就是文件的組織結(jié)構(gòu)、存取方法、保護以及文件系統(tǒng)空間管理等問題。考研大綱（一）文件系統(tǒng)基礎(chǔ)1.文件概念2.文件結(jié)構(gòu)（2分）（2分）(7分)3.目錄結(jié)構(gòu)（2分）（2分）4.文件共享（2分）5.文件保護（二）文件系統(tǒng)實現(xiàn)

1.文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)2.目錄實現(xiàn)3.文件實現(xiàn)（三）磁盤組織與管理（7分）1.磁盤的結(jié)構(gòu)2.磁盤調(diào)度算法（2分）3.磁盤的管理6.1文件系統(tǒng)的概念6.2文件的組織結(jié)構(gòu)6.3

文件存儲空間的管理6.4

文件目錄的管理6.5

文件存取控制6.6

文件的使用本章的主要內(nèi)容是：

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1.掌握：文件的邏輯組織和物理組織的概念及不同的組織形式，文件存儲空間的管理，文件的目錄結(jié)構(gòu)，文件和目錄的主要操作。

2.理解：文件的分類、文件的存取控制。

3.了解：文件系統(tǒng)的功能、文件系統(tǒng)的層次模型。學(xué)習(xí)要點：大家對文件并不陌生，經(jīng)常要建文件、刪文件、讀寫文件等。那么什么是文件呢？怎樣看待文件？系統(tǒng)內(nèi)部如何對文件進行管理？文件怎樣在目錄中登記？有些文件可以共享，而另外一些需要保護起來，應(yīng)采取什么控制？6.1文件系統(tǒng)的概念返回1.文件和文件系統(tǒng)2.文件的類型3.文件系統(tǒng)的功能

文件系統(tǒng)是OS與用戶關(guān)系最緊密的一部分，對用戶來說，它是OS中最直觀的部分，能否方便使用OS，以及OS的可信賴程度往往取決于文件系統(tǒng)的功能和性能。1.文件和文件系統(tǒng)

大容量磁盤、磁帶等的出現(xiàn)，為程序和數(shù)據(jù)等軟件資源的透明存取提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。這導(dǎo)致了對軟件資源管理質(zhì)的飛躍——文件系統(tǒng)的出現(xiàn)。對計算機資源管理硬件資源軟件資源CPU存儲器設(shè)備……系統(tǒng)程序系統(tǒng)應(yīng)用程序函數(shù)庫用戶應(yīng)用程序……透明存放協(xié)調(diào)工作

文件文件是一段程序或數(shù)據(jù)的集合。在計算機系統(tǒng)中，文件被解釋為一組賦名的相關(guān)聯(lián)字符流的集合，或是相關(guān)聯(lián)記錄的集合。

文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)中與管理文件有關(guān)的軟件和數(shù)據(jù)稱為文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)負(fù)責(zé)為用戶建立、撤消、讀寫、修改和復(fù)制文件；還負(fù)責(zé)完成對文件的按名存取和存取控制2.文件的類型為便于管理和控制文件，常將文件分成若干類型。

按文件性質(zhì)和用途分類系統(tǒng)文件：OS及有關(guān)系統(tǒng)程序的信息所組成的文件。用戶文件：如源程序文件等。

庫文件：標(biāo)準(zhǔn)子程序及常用應(yīng)用程序組成的文件，允許用戶使用但不能修改。

按文件組織和處理方式分類

普通文件：包含的是用戶的信息，一般為ASCII或二進制文件。

目錄文件：管理文件系統(tǒng)的系統(tǒng)文件

特殊文件：在linux系統(tǒng)中，所有輸入輸出設(shè)備都被看作特殊文件。

按文件的保護方式分類

只讀文件、讀寫文件、可執(zhí)行文件

按信息流分類

輸入文件：如讀卡機或鍵盤上的文件，只能讀入。

輸出文件：如打印機上的文件，只能寫出。

輸入/輸出文件：如磁盤、磁帶上的文件，既可讀又可寫。

按文件中的數(shù)據(jù)形式分類

源文件：指從終端或輸入設(shè)備輸入的源程序和數(shù)據(jù)所構(gòu)成的文件。

目標(biāo)文件：指源程序經(jīng)過相應(yīng)語言的編譯程序進行編譯后，但尚未經(jīng)過鏈接處理的目標(biāo)代碼形成的文件，屬于二進制文件。

可執(zhí)行文件：經(jīng)過編譯、連接之后所形成的可執(zhí)行目標(biāo)文件。分類的目的：對不同文件進行相應(yīng)的管理,提高系統(tǒng)效率。3.文件系統(tǒng)的功能用戶的角度：

按名存取系統(tǒng)的角度：

文件空間管理為合理地存放文件，必須對文件空間進行統(tǒng)一管理。

邏輯結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)按名存取，需要有一個用戶可見的文件邏輯結(jié)構(gòu)，用戶按照文件邏輯結(jié)構(gòu)所給定的方式進行信息存取和加工。

物理結(jié)構(gòu)為了便于存放和加工信息，文件在存儲設(shè)備上應(yīng)按一定的順序存放。這種存放方式被稱為文件的物理結(jié)構(gòu)。

信息查找完成對存放在存儲設(shè)備上的文件信息的查找。

信息共享與保護6.2文件的組織結(jié)構(gòu)返回1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)和存取方法2.

文件物理結(jié)構(gòu)與存儲設(shè)備3.

文件物理結(jié)構(gòu)、文件存取方式與存儲設(shè)備的關(guān)系4.磁盤調(diào)度算法

從用戶觀點出發(fā)，所看到的文件組織形式稱為文件的邏輯結(jié)構(gòu)。

從實現(xiàn)觀點出發(fā)，文件在外存上的存放組織形式稱為文件的物理結(jié)構(gòu)。

文件的邏輯結(jié)構(gòu)與存儲設(shè)備的特性無關(guān)，但文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲設(shè)備的特性有很大關(guān)系。1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)和存取方法

(1)文件的邏輯結(jié)構(gòu)：是用戶的可見結(jié)構(gòu)，它獨立于在外存上的物理存儲。

文件的邏輯結(jié)構(gòu)有兩種形式：字符流式的無結(jié)構(gòu)文件記錄式的有結(jié)構(gòu)文件①字符流式文件：一個無結(jié)構(gòu)字節(jié)序列文件體為字節(jié)流（不劃分記錄，構(gòu)成文件的基本單位是字符），是無結(jié)構(gòu)的、一串相關(guān)的有序字符的集合。文件的長度為所含字符數(shù)。

優(yōu)點：管理簡單、操作方便缺點：查找文件中的基本信息單位較困難是當(dāng)前操作系統(tǒng)中常用的文件邏輯結(jié)構(gòu)，

如UNIX、DOS、WINDOWS系統(tǒng)中的普通文件都是流式文件。②記錄式文件：一種結(jié)構(gòu)式文件，是記錄的集合可以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)每條記錄由彼此相關(guān)的域構(gòu)成每個記錄有一個鍵，可按鍵進行查找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(shù)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(xué)生登記表文件xsdjb.dbf姓名學(xué)號籍貫通信地址郵政編碼李銘925678武昌武昌關(guān)山街125號430074司馬樂925679北京北京海軍路88號100034NEXT

根據(jù)用戶和系統(tǒng)管理上的需要，可以采用多種方式來組織這些記錄，形成以下幾種文件：順序文件：記錄按某種順序（按時間的先后順序或者按關(guān)鍵字排序）排列所形成的文件。索引文件：為記錄建立一張索引表，并為每個記錄設(shè)置一個表項，以加快對記錄檢索的速度。索引順序文件：將順序文件中的記錄分組，為順序文件建立一張索引表，每組中的第一個記錄建立一個索引項。選取文件的邏輯結(jié)構(gòu)遵循下述原則：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?！阌谛薷慕o定的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)使文件在盡可能短的時間內(nèi)查找到記錄或基本信息單位?！阌诓檎椅募畔⒄紦?jù)最小的存儲空間?！阌诖鎯Ρ阌谟脩暨M行操作?！阌诓僮魑募壿嫿Y(jié)構(gòu)的選擇對基本信息單位操作不多的文件較適合于采用字符流的無結(jié)構(gòu)文件例如：源程序文件、目標(biāo)代碼文件等需要對基本信息單位進行修改、追加、查找和管理等操作較多的文件較適合于采用記錄的有結(jié)構(gòu)文件例如：數(shù)據(jù)庫文件1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)和存取方法

(2)文件的存取方法：指用戶讀寫文件的方法。用戶通過對文件的存取來完成對文件的修改、追加和搜索等操作。

通常有三種存取方法：

順序存取方式

隨機(直接)存取方式

按鍵存取方式

無論是采用哪種存取方法，都是首先查找出操作對象的邏輯地址，然后由邏輯地址映射到對應(yīng)的物理地址，再對物理地址的有關(guān)信息進行操作。順序存取

按照文件的邏輯地址順序存取在記錄式文件中，按記錄的排列順序來存取，例如：

當(dāng)前記錄為Ri，下一條記錄為Ri+1

在字符流文件中，反映為當(dāng)前讀寫指針的變化，例如：

當(dāng)前指針為rPtr，下一存取位置的指針為

rPtr

+

該段的信息長度隨機存?。ㄖ苯哟嫒。?/p>

按照文件的記錄號，字符序號直接存取在字符流文件中，根據(jù)字符的序號來存取文件的任一信息。在記錄式文件中，根據(jù)存取命令把讀寫指針移動到欲讀寫處來讀寫。

定長記錄的文件，只要給出記錄號就能求出該記錄的首地址。

變長記錄的文件，直接存取將是非常困難的。按鍵存取根據(jù)給定的關(guān)鍵字或記錄名進行存取首先搜索到要進行存取的記錄的邏輯位置，再將其轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的物理地址后進行存取用在復(fù)雜的文件系統(tǒng)中，特別是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中2.文件的物理結(jié)構(gòu)和存儲設(shè)備

(1)文件的物理結(jié)構(gòu)：指文件在外存上的存儲結(jié)構(gòu)。它依賴于外存的物理存儲介質(zhì)。文件的物理結(jié)構(gòu)決定了文件信息在存儲設(shè)備上的存儲位置。因此，文件信息的邏輯地址到物理地址的變換也是由文件的物理結(jié)構(gòu)決定的。

在文件系統(tǒng)中，文件的存儲設(shè)備通常劃分成若干個大小相等的物理塊（如塊長為512B或1024B）。一般把文件信息也劃分為與物理存儲設(shè)備的物理塊大小相等的邏輯塊。從而，以塊作為分配和傳送信息的基本單位。

常見的文件物理結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)（連續(xù)文件）鏈接結(jié)構(gòu)（串聯(lián)文件）索引結(jié)構(gòu)（索引文件）連續(xù)文件連續(xù)文件把一個邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放到物理塊中。連續(xù)文件結(jié)構(gòu)圖示說明：連續(xù)文件示意圖文件名始址塊數(shù)count02tr143mail196list284f62文件目錄012345678910111213141516171819202122232425262728293031countftrmaillist連續(xù)文件的特點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單存取速度快缺點：不能動態(tài)增長部分刪除后會有“零頭”不適于存放用戶文件、數(shù)據(jù)文件等經(jīng)常被修改的文件。串聯(lián)文件串聯(lián)文件結(jié)構(gòu)用非連續(xù)的物理塊來存放文件信息。這些非連續(xù)的物理塊之間沒有順序關(guān)系。其中每個物理塊設(shè)有一個指針，指向其后續(xù)連接的另一個物理塊，從而使得存放同一文件的物理塊鏈接成一個串聯(lián)隊列。串聯(lián)文件示意圖文件名始址末址jeep925文件目錄01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125串聯(lián)文件特點：特點：文件長度可動態(tài)地增長（只需調(diào)整連接指針）搜索效率較低（只能按串聯(lián)指針順序搜索）一般只適用于邏輯上連續(xù)的文件，且存取方法應(yīng)該是順序存取的。不適宜隨機存取索引文件系統(tǒng)為每個文件建立一張索引表，表中每一欄目指出文件信息所在的邏輯塊號及與之對應(yīng)的物理塊號。索引表的物理地址則由文件說明信息項給出。索引文件示意圖012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep1991611025-1-1-119返回索引文件特點：既可以滿足文件動態(tài)增長的要求，又可以較為方便和迅速地實現(xiàn)隨機存取。使用索引表增加了存儲空間的開銷。至少二次訪問存儲器，多級索引訪問次數(shù)更多。索引表組織:鏈接模式:一個盤塊一個索引表。直接尋址當(dāng)文件很大時,一個盤塊放不下一個索引表，則需要多個盤塊來存放索引表，若也按串聯(lián)方式存放，則增加了存取索引表的時間開銷。一種較好的方法是采用多級索引。多級索引:索引表所指的物理塊中存放的不是文件信息，而是裝有這些信息的物理塊的地址。間接尋址綜合模式：將索引表的頭幾項設(shè)計成直接尋址方式，也就是這幾項所指的物理塊號中存放的是文件信息，而索引表的后幾項設(shè)計成多重索引，也就是間接尋址方式。混合尋址多級索引兩級索引分配返回

混合索引方式(綜合模式)混合索引方式

UNIX文件系統(tǒng)采用的是綜合模式。每個文件的索引表為13個索引項，每項2個字節(jié)。最前面10項直接登記存放文件信息的物理塊號（直接尋址）如果文件大于10塊，則利用第11項指向一個物理塊，該塊中最多可放256個文件物理塊的塊號（一次間接尋址）。對于更大的文件還可利用第12和第13項作為二次和三次間接尋址

UNIX中采用了三級索引結(jié)構(gòu)后，文件最大可達16兆個物理塊（28，216，224）UNIX文件系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)1028216224文件物理結(jié)構(gòu)的比較連續(xù)文件優(yōu)點：不需要額外的空間開銷，只要在文件目錄中指出文件的大小和首塊的塊號即可，對順序的訪問效率很高。順序存取、直接存取。缺點：不適合動態(tài)地增長，部分刪除后會有存儲空間浪費；文件創(chuàng)建時要求用戶提供文件的大小。串聯(lián)文件克服了連續(xù)文件的不足之處，但文件的隨機訪問系統(tǒng)開銷較大。順序存取。索引文件既適應(yīng)于順序存取，也適應(yīng)于直接存取，是一種比較好的文件物理結(jié)構(gòu)，但要有用于索引表的空間開銷和文件索引的時間開銷。09年考研題28.下列文件物理結(jié)構(gòu)中，適合隨機訪問且易于文件擴展的是（）

A.連續(xù)結(jié)構(gòu)

B.索引結(jié)構(gòu)

C.鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)且磁盤塊定長

D.鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)且磁盤塊變長10年考研題30、設(shè)文件索引節(jié)點中有7個地址項，其中4個地址項為直接地址索引，2個地址項是一級間接地址索引，1個地址項是二級間接地址索引，每個地址項大小為4字節(jié)，若磁盤索引塊和磁盤數(shù)據(jù)塊大小均為256字節(jié)，則可表示的單個文件的最大長度是（）A：33kbB：519kbC：1057kbD：16513kb2.文件的物理結(jié)構(gòu)和存儲設(shè)備

(2)文件存儲設(shè)備：常用的存儲設(shè)備有磁盤、光盤和磁帶等。存儲設(shè)備的特性決定了文件的存取設(shè)備和方法。

順序存取設(shè)備（如磁帶）

直接存取設(shè)備（如磁盤）順序存取設(shè)備只有在前面的物理塊被存取之后，才能存取后續(xù)的物理塊的內(nèi)容為了加速和停轉(zhuǎn)，在物理塊前后留有間隙磁帶是一種典型的順序存取設(shè)備第i-1塊間隙第i塊間隙第i+1塊…………磁帶的特點：磁帶適合于順序存取方式，不適合于隨機存取方式和按鍵存取方式。磁帶設(shè)備的存取速度或數(shù)據(jù)傳輸率與下列因素有關(guān)信息密度磁帶帶速塊間間隙帶速高、信息密度大、且間隙小，則存取速度高文件存儲設(shè)備例題——磁帶假定磁帶記錄密度為800字符/英寸，每一邏輯記錄為160字符，塊間隙為0.6英寸。存儲1500個邏輯記錄需要多少磁帶，并計算磁帶利用率？若要使磁帶空間利用率不少于50%，至少應(yīng)為多少個邏輯記錄為一組？第i-1塊間隙第i塊間隙第i+1塊…………直接存取設(shè)備磁盤是一種典型的直接存取設(shè)備。磁盤設(shè)備允許文件系統(tǒng)直接存取磁盤上的任意物理塊。為了存取一個特定的物理塊，磁頭將直接移動到所要求的位置上，而不需要像順序存取那樣事先存取其他的物理塊。磁盤結(jié)構(gòu)圖磁道0磁道1扇區(qū)0扇區(qū)1每個盤片分為多個扇區(qū)，磁盤轉(zhuǎn)動時經(jīng)過讀寫磁頭形成磁道，磁頭臂可由半徑方向移動形成多條磁道。柱面扇區(qū)磁臂磁頭信息記錄在磁道上，多個盤片，正反兩面都用來記錄信息，每面一個磁頭所有盤面中處于同一磁道號上的所有磁道組成一個柱面物理地址形式：磁頭號（盤面號）柱面號（磁道號）扇區(qū)號訪盤請求完成過程一次訪盤請求（讀/寫）完成過程由三個動作組成：尋道（時間）：磁頭移動定位到指定磁道旋轉(zhuǎn)延遲（時間）：等待指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下數(shù)據(jù)傳輸（時間）：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的傳輸文件存儲設(shè)備例題——磁盤某軟盤有40個磁道，磁頭從一個磁道移動到另一個磁道需要6ms。文件在磁盤上非連續(xù)存放，邏輯上相鄰數(shù)據(jù)塊的平均距離為13磁道，每塊的旋轉(zhuǎn)延遲時間和傳輸時間分別為100ms、25ms，問讀取一個100塊的文件需要多少時間？解：邏輯上相鄰數(shù)據(jù)塊的平均距離為13磁道，讀一塊數(shù)據(jù)需要的時間為：

13×6+100+25=203ms（6分）因此，讀取一個100塊的文件需要的時間：

203×100=20300ms（2分）3.文件物理結(jié)構(gòu)、文件存取方式與文件存儲設(shè)備的關(guān)系返回存取設(shè)備磁盤磁帶物理結(jié)構(gòu)連續(xù)文件串聯(lián)文件索引文件連續(xù)文件文件長度固定

固定、可變

固定、可變固定存取方法

直接、順序

順序

直接、順序順序4.磁盤調(diào)度算法(1)磁盤調(diào)度

磁盤是可被多個進程共享的設(shè)備。當(dāng)有多個進程都請求訪問磁盤時，應(yīng)采用一種適當(dāng)?shù)恼{(diào)度算法，對這些請求的服務(wù)順序調(diào)整安排，旨在降低平均磁盤服務(wù)時間，達到公平、高效。

公平：一個I/O請求在有限時間內(nèi)滿足高效：減少設(shè)備機械運動所帶來的時間浪費(2)磁盤調(diào)度算法先來先服務(wù)（FCFS）：按訪問請求到達的先后次序服務(wù)優(yōu)點：簡單，公平；缺點：效率不高，相臨兩次請求可能會造成最內(nèi)到最外的柱面尋道，使磁頭反復(fù)移動，增加了服務(wù)時間，對機械也不利先來先服務(wù)磁盤調(diào)度舉例

假設(shè)磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67。讀寫頭起始位置：53磁道處向外磁道移動，按先來先服務(wù)進行磁盤調(diào)度98，183，37，122，14，124，65，67磁頭走過的總道數(shù)：640

最短尋道時間優(yōu)先（SSTF）：優(yōu)先選擇距當(dāng)前磁頭最近的訪問請求進行服務(wù)，主要考慮尋道優(yōu)先。優(yōu)點：改善了磁盤平均服務(wù)時間；缺點：造成某些訪問請求長期等待得不到服務(wù)。最短尋道時間優(yōu)先磁盤調(diào)度舉例

假設(shè)磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67。讀寫頭起始位置：53磁道處向外磁道移動，按最短尋道時間優(yōu)先進行磁盤調(diào)度65，67，37，14，98，122，124，183磁頭走過的總道數(shù)：236

掃描算法（SCAN，電梯算法）

克服了最短尋道優(yōu)先的缺點，既考慮了距離，同時又考慮了方向。(先方向后距離)

具體做法：當(dāng)設(shè)備無訪問請求時，磁頭不動當(dāng)有訪問請求時，磁頭按一個方向移動，在移動過程中對遇到的訪問請求進行服務(wù)，然后判斷該方向上是否還有訪問請求，如果有則繼續(xù)掃描否則改變移動方向，并為經(jīng)過的訪問請求服務(wù)如此反復(fù)掃描算法磁盤調(diào)度舉例

假設(shè)磁盤訪問序列：98，183，37，122，14，124，65，67。讀寫頭起始位置：53磁道處向外磁道移動，按掃描算法進行磁盤調(diào)度走道順序：53，

37，14，65，67，98，122，124，183磁頭走過的總道數(shù)：＝(53－14)＋(183－14)＝20809年考研題29.假設(shè)磁頭當(dāng)前在第