操作系統(tǒng) 第七章 文件管理

計算機操作系統(tǒng)第七章文件管理本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護7.1文件和文件系統(tǒng)7.1.1文件、記錄和數(shù)據(jù)項1．數(shù)據(jù)項

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。用于描述一個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，即原子數(shù)據(jù)，又稱為數(shù)據(jù)元素或字段。（2）組合數(shù)據(jù)項。它是由若干個基本數(shù)據(jù)項組成的，簡稱組項。根據(jù)屬性的不同，需要用不同的數(shù)據(jù)類型來描述。

2．記錄

記錄是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項的集合，用于描述一個對象在某方面的屬性。例如，一個學(xué)生使用學(xué)號、姓名、年齡及所在系班。關(guān)鍵字是惟一能標識一個記錄的數(shù)據(jù)項。如：學(xué)號。

7.1.1文件、記錄和數(shù)據(jù)項

3．文件文件是具有文件名的一組相關(guān)元素的集合。文件結(jié)構(gòu)分為兩種：有結(jié)構(gòu)的文件中，文件由若干個相關(guān)記錄組成；無結(jié)構(gòu)文件則被看成是一個字符流。文件在文件系統(tǒng)中是一個最大的數(shù)據(jù)單位；文件必須有文件名，通常由一串ASCII碼或漢字構(gòu)成。

7.1.1文件、記錄和數(shù)據(jù)項

文件的屬性可以包括：（1）文件類型。如源文件、目標文件等（2）文件長度。單位可以是塊，字或字節(jié)。（3）文件的物理位置。指示文件在哪一個設(shè)備上以及在該設(shè)備的哪個位置的指針。（4）文件的建立時間。這是指文件最后一次的修改時間等。3．文件7-17.1.2文件類型為了便于管理和控制文件而將文件分成若干種類型。常用的幾種文件分類方法：1）按用途分三類：系統(tǒng)，用戶，庫文件。2）按文件中數(shù)據(jù)的形式：源，目標以及可執(zhí)行文件。3）按存取控制屬性：只執(zhí)行，只讀，讀寫。文件系統(tǒng)分為三個層次：7.1.3文件系統(tǒng)的層次模型7-21）對象及其屬性對象有：文件，目錄，磁盤存儲空間。2）對對象操縱和管理的軟件集合核心部分，包括：文件存儲空間的管理，文件目錄的管理，邏輯地址與物理地址轉(zhuǎn)換機制，文件讀寫管理，文件共享與保護等。3）文件系統(tǒng)的接口向用戶提供兩種接口：命令（終端鍵入命令）和程序（系統(tǒng)調(diào)用）。7.1.3文件系統(tǒng)的層次模型7.1.4文件操作用戶通過文件系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用實施對文件的操作。1.最基本的文件操作有：創(chuàng)建文件（分配外存，建立目錄項）、刪除文件（置空目錄項）、讀文件、寫文件、截斷文件（原有文件長度置0）和設(shè)置文件的讀／寫位置（改變始終從始端開始讀/寫操作）。2.文件的“打開”和“關(guān)閉”操作：

“打開”(open)，是指系統(tǒng)將指名文件的屬性（包括該文件在外存上的物理位置）從外存拷貝到內(nèi)存打開文件表的一個表目中，并將該表目的編號（或稱為索引）返回給用戶。

“關(guān)閉”（close）系統(tǒng)調(diào)用來關(guān)閉此文件，OS將會把該文件從打開文件表中的表目上刪除掉。3．其它文件操作：

對文件屬性的操作，改變文件名、改變文件的擁有者，查詢文件的狀態(tài)等7.1.4文件操作本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)

文件是由一系列的記錄組成的。對于任何一個文件，都存在著以下兩種形式的結(jié)構(gòu)：（1）文件的邏輯結(jié)構(gòu)從用戶觀點出發(fā)所觀察到的文件組織形式。（2）文件的物理結(jié)構(gòu)指文件在外存上的存儲組織形式。7.2.1文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型★文件的邏輯結(jié)構(gòu)可分為兩大類：（1）有結(jié)構(gòu)文件：是指由一個以上的記錄構(gòu)成的文件，故又把它稱為記錄式文件；記錄的長度可分為定長和不定長兩類。可采用多種方式組織記錄，形成不同的文件：①順序文件：是由一系列記錄按某種順序排列所形成的文件。②索引文件：當記錄為可變長度時，通常為之建立一張索引表。③索引順序文件：它為文件建立一張索引表，為每一組記錄中的第一個記錄設(shè)置一個表項?！镂募倪壿嫿Y(jié)構(gòu)可分為兩大類：（2）無結(jié)構(gòu)文件：是指由字符流構(gòu)成的文件，故又稱為流式文件。無結(jié)構(gòu)的文件形式，即流式文件，其長度以字節(jié)為單位在UNIX系統(tǒng)中，所有的文件都被看作是流式文件7.2.1文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型7.2.2順序文件1．邏輯記錄的排序文件中的記錄排列可歸納為以下兩種情況：①串結(jié)構(gòu)，各記錄之間的順序與關(guān)鍵字無關(guān)。通常的辦法是由時間來決定，即按存入時間的先后排列②順序結(jié)構(gòu)，指文件中的所有記錄按關(guān)鍵字排列。2．順序文件的優(yōu)缺點:優(yōu)點:

(1)對順序文件的存取效率是所有邏輯文件中最高的.(2)只有順序文件才能存儲在磁帶上，并能有效地工作。缺點:(1)在交互應(yīng)用的場合，如果用戶（程序）要求查找或修改單個記錄，為此系統(tǒng)便要去逐個地查找諸記錄。(2)如果想增加或刪除一個記錄，都比較困難。7.2.2順序文件1)定長記錄的順序文件如果已知當前記錄的邏輯地址，便很容易確定下一個記錄的邏輯地址。在讀一個文件時，可設(shè)置一個讀指針Rptr。令它指向下一個記錄的首地址，每當讀完一個記錄時，便執(zhí)行:Rptr：=Rptr十L（L為記錄長度）7.2.3記錄尋址2）變長記錄的順序文件在每次讀或?qū)懲暌粋€記錄后，須將讀或?qū)懼羔樇由螸i Wptr：=Wptr十Li（Li是剛讀或剛寫完的記錄的長度）7.2.4索引文件對于定長記錄，可方便地實現(xiàn)直接存取。對于變長記錄就較難實現(xiàn)直接存取，為了解決這一問題，為變長記錄文件建立一張索引表，索引表是按鍵排序的，可以方便地實現(xiàn)直接存取。7.2.5索引順序文件索引順序文件:將順序文件中的所有記錄分為若干個組,為順序文件建立一張索引表，在索引表中為每組中的第一個記錄建立一個索引項，其中含有該記錄的鍵值和指向該記錄的指針。索引順序文件文件檢索在對索引順序文件進行檢索時，首先也是利用用戶(程序)所提供的關(guān)鍵字以及某種查找算法去檢索索引表，找到該記錄所在記錄組中第一個記錄的表項，從中得到該記錄組第一個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。文件檢索效率如果在一個順序文件中所含有的記錄數(shù)為N，則為檢索到具有指定關(guān)鍵字的記錄，平均須查找N/2個記錄；但對于索引順序文件，則為能檢索到具有指定關(guān)鍵字的記錄，平均只要查找個記錄數(shù)。例如，有一個順序文件含有10000個記錄，平均須查找的記錄數(shù)為5000個。但對于索引順序文件，則平均只須查找100個記錄?？梢?，它的檢索效率是順序文件的50倍.7.2.6直接文件和哈希文件1．直接文件

對于直接文件，可根據(jù)給定的記錄鍵值，直接獲得指定記錄的物理地址。換言之，記錄鍵值本身就決定了記錄的物理地址。這種由記錄鍵值到記錄物理地址的轉(zhuǎn)換被稱為鍵值轉(zhuǎn)換

。7.2.6直接文件和哈希文件2．哈希（Hash）文件：利用Hash函數(shù)，可將記錄鍵值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)記錄的地址。為了能實現(xiàn)文件存儲空間的動態(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。本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護7.3文件目錄對目錄管理的要求如下：（1）實現(xiàn)“按名存取”。（2）提高對目錄的檢索速度。（3）文件共享。（4）允許文件重名。

7.3.1文件控制塊和索引結(jié)點1、文件控制塊為了能對一個文件進行正確的存取，必須為文件設(shè)置用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱之為“文件控制塊（FCB）”

把文件控制塊的有序集合稱為文件目錄。一個文件目錄也被看作是一個文件，稱為目錄文件。1、文件控制塊（1）文件控制塊的基本信息①文件名；②文件物理位置；③文件邏輯結(jié)構(gòu)（表明文件是流式還是記錄式，定長還是變長等）；④文件物理結(jié)構(gòu)（順序文件，鏈式還是索引文件）。（2）存取控制信息類存取權(quán)限（3）使用信息類文件的建立日期和時間等。（1）索引結(jié)點的引入文件描述信息單獨形成一個稱為索引結(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡稱為i結(jié)點。在文件目錄中的每個目錄項，僅由文件名和指向該文件所對應(yīng)的i結(jié)點的指針所構(gòu)成。2．索引結(jié)點（2）磁盤索引結(jié)點包括以下內(nèi)容：文件主標識符，文件類型，存取權(quán)限，文件物理地址，文件長度，文件連接計數(shù)（系統(tǒng)中所有指向該文件名的指針計數(shù)），文件存取時間。（3）內(nèi)存索引結(jié)點包括以下內(nèi)容：索引結(jié)點編號，狀態(tài)，訪問計數(shù)，文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設(shè)備號，鏈接指針。2．索引結(jié)點7.3.2目錄結(jié)構(gòu)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。因此，組織好文件的目錄，是設(shè)計好文件系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。目前常用的目錄結(jié)構(gòu)形式有單級目錄、兩級目錄和多級目錄。1．單級目錄結(jié)構(gòu)單級目錄的優(yōu)點：是簡單且能實現(xiàn)目錄管理的基本功能——按名存取。單級目錄缺點：

（1）查找速度慢。（2）不允許重名。（3）不便于實現(xiàn)文件共享。適合單用戶環(huán)境。

1．單級目錄結(jié)構(gòu)2.兩級目錄

為每一個用戶建立一個單獨的用戶文件目錄UFD，再建立一個主文件目錄MFD。在主文件目錄中，每個用戶目錄文件都占有一個目錄項，其目錄項中包括用戶名和指向該用戶目錄文件的指針兩級目錄結(jié)構(gòu)優(yōu)點：（1）提高了檢索目錄的速度。（2）在不同的用戶目錄中，可以使用相同的文件名。（3）不同用戶還可使用不同的文件名來訪問系統(tǒng)中的同一個共享文件。

2.兩級目錄

7.3.3樹形結(jié)構(gòu)目錄（多級目錄結(jié)構(gòu)）（1）目錄結(jié)構(gòu)：主目錄在這里被稱為根目錄，把數(shù)據(jù)文件稱為樹葉，其它的目錄均作為樹的結(jié)點。（2）路徑名從樹的根（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)文件的路徑名（pathname）。系統(tǒng)中的每一個文件都有惟一的路徑名。（3）當前目錄為每個進程設(shè)置一個“當前目錄”，又稱為“工作目錄”進程對各文件的訪問都相對于“當前目錄”而進行。7.3.3樹形結(jié)構(gòu)目錄（多級目錄結(jié)構(gòu)）增加目錄在用戶要創(chuàng)建一個新文件時，只需查看在自己的UFD及其子目錄中，有無與新建文件相同的文件名。若無，便可在UFD或其某個子目錄中增加一個新目錄項。目錄刪除采用下述兩種方法處理：（1）不刪除非空目錄。（2）可刪除非空目錄。

（4）增加和刪除目錄7.3.4目錄查詢技術(shù)★對目錄進行查詢的方式有兩種：線性檢索法和Hash方法。

1．線性檢索法線性檢索法又稱為順序檢索法。①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。②在樹型目錄中，用戶提供的文件名是由多個文件分量名組成的路徑名，此時須對多級目錄進行查找。1．線性檢索法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7-12所示Hash方法:建立了一張Hash索引文件目錄，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。Hash方法將顯著地提高檢索速度。在文件名中使用了通配符“*”、“？”等，系統(tǒng)便無法利用Hash法檢索目錄，因此，需要利用線性查找法查找目錄。2．Hash方法在進行文件名的轉(zhuǎn)換時，有可能把”n個不同的文件名轉(zhuǎn)換為相同的Hash值，稱謂的“Hash沖突”。Hash查找過程：①在利用Hash值查找目錄時，如果目錄表中相應(yīng)的目錄項是空的，則表示系統(tǒng)中并無指定文件。②如果目錄項中的文件名與指定文件名相匹配，則表示該目錄項正是所要尋找的文件所對應(yīng)的目錄項，故而可從中找到該文件所在的物理地址。③如果在目錄表的相應(yīng)目錄項中的文件名與指定文件名并不匹配，則表示發(fā)生了“Hash沖突”。2．Hash方法解決Hash沖突的方法：將其Hash值再加上一個常數(shù)（該常數(shù)應(yīng)與目錄的長度值互質(zhì)），形成新的索引值，再返回到第一步重新開始查找。2．Hash方法本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護7.4文件共享文件共享即指系統(tǒng)應(yīng)允許多個用戶（進程）共享同一份文件。在系統(tǒng)中只需保留該共享文件的一份副本。當前常用的兩種文件共享方法:（1）基于索引結(jié)點的共享方式（2）利用符號鏈實現(xiàn)文件共享

7.4.1基于索引結(jié)點的共享方式

7.4.1基于索引結(jié)點的共享方式

7.4.1基于索引結(jié)點的共享方式7.4.2利用符號鏈實現(xiàn)文件共享

為使B能共享C的一個文件F，可以由系統(tǒng)創(chuàng)建一個LINK類型的新文件，也取名為F并將F寫入B的目錄中，以實現(xiàn)B的目錄與文件F的鏈接；在新文件中只包含被創(chuàng)文件F的路徑名。這樣的鏈接方法被稱為符號鏈接.新文件中的路徑名，則只被看作是符號鏈。當B要訪問被鏈接的文件F且正要讀LINK類新文件時，將被OS截獲，OS根據(jù)新文件中的路徑名去讀該文件，于是就實現(xiàn)了用戶B對文件F的共享。在利用符號鏈方式實現(xiàn)文件共享時，只是文件主才擁有指向其索引結(jié)點的指針，而共享該文件的其它用戶，則只有該文件的路徑名，并不擁有指向其索引結(jié)點的指針。符號鏈方式優(yōu)點：能連接任何機器上的文件。每增加一個連接，就增加一個文件名，各用戶使用自己的名字去共享文件。缺點：備份是可能會產(chǎn)生多個拷貝。7.4.2利用符號鏈實現(xiàn)文件共享

本章內(nèi)容7.1文件和文件系統(tǒng)7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.3文件目錄7.4文件共享7.5文件保護7.5文件保護影響文件安全性的因素：（1）人為因素。（2）系統(tǒng)因素。（3）自然因素。采取的措施（1）存取控制，防止由人為因素所造成的文件不安全性；（2）系統(tǒng)容錯技術(shù)，防止系統(tǒng)部分的故障所造成的文件的不安全性；（3）建立后備系統(tǒng)，防止由自然因素造成的不安全性。7.5.1保護域1.訪問權(quán)由系統(tǒng)來控制進程對對象的訪問；對象：硬件，軟件；對對象施加的操作：讀，寫，執(zhí)行。訪問權(quán)：一個進程能對某對象執(zhí)行操作的權(quán)力，用一個有序?qū)Γ▽ο竺?，?quán)集）表示；（F1，{R/W})表示某進程