第6章文件管理

第六章文件管理

6.1文件和文件系統(tǒng)6.2文件的邏輯結構6.3外存分配方式6.4目錄管理6.5文件存儲空間的管理6.6文件共享與文件保護1文件系統(tǒng)概述計算機為什么需要文件？數量原因——內存無法保存大量信息時間原因——內存無法永久保存信息應用原因——內存無法方便實現共享文件系統(tǒng)的作用為應用程序提供邏輯抽象（虛擬機）為磁盤空間提供管理機制（資源管理器）文件系統(tǒng)概述2文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)服務器文件結構定義文件訪問控制安全、保護磁盤空間分配磁盤數據存取磁盤設備防護數據文件磁盤空間映射應用層觀點：邏輯抽象物理層觀點：空間管理3文件系統(tǒng)的功能目標文件系統(tǒng)功能目標概述用戶觀點：虛擬機的作用，如何用統(tǒng)一的形式展現各類文件？如何提供方便的文件操作接口？系統(tǒng)觀點：如何與其他系統(tǒng)模塊進行交互？如何實現并維護文件的邏輯體系和物理結構？如何設計并實現各種文件的操作接口？文件系統(tǒng)的功能目標統(tǒng)一管理文件的存儲空間，實現存儲空間的分配與回收提供方便的文件訪問機制，實現對文件的按名存取向用戶提供完整而方便的文件操作接口（如開/關、讀/寫、關閉等）提供對文件的安全保護和信息共享機制向下提供和I/O設備相一致的接口，向上提供用戶需要的相關信息實現“合理”、“有效”的性能目標：文件系統(tǒng)的執(zhí)行性能文件系統(tǒng)概述46.1文件和文件系統(tǒng)5文件的定義文件是具有文件名的一組相關信息的集合。文件名：通常由一串ASCII碼或漢字構成文件的基本內容：可以由單個字節(jié)或多個字節(jié)構成文件的邏輯含義：由文件的創(chuàng)建者和使用者進行定義和維護文件必須便于存儲、檢索、共享廣義的“文件”概念：所有可存儲、提供信息資源的設備均可稱為文件6文件的屬性文件類型文件長度文件的物理位置文件的建立時間文件類型按照文件性質和用途劃分：系統(tǒng)文件、用戶文件、庫文件按照文件中數據形式劃分：源文件、目標文件、可執(zhí)行文件按照信息保存的期限劃分：臨時文件、永久文件、檔案文件按照文件的存取控制劃分：只讀文件、讀寫文件、只執(zhí)行文件和不保護文件按照文件的邏輯結構劃分：流式文件、記錄式文件、結構化文件按照文件的物理結構劃分：順序文件、鏈接文件、索引文件Unix中的文件分類：普通文件、目錄文件、特殊文件（設備文件）文件系統(tǒng)概述72.文件系統(tǒng)模型文件系統(tǒng)模型文件系統(tǒng)：操作系統(tǒng)中與文件管理有關的那部分軟件以及被它們管理的文件和文件屬性的集合8文件的使用創(chuàng)建文件：分配外存空間，建立相應目錄項刪除文件：刪除目錄項，回收存儲空間讀文件：查找目錄項，將數據從外存讀入內存寫文件：查找目錄項，外存將數據寫入截斷文件：放棄原有的文件內容設置文件的讀/寫指針：實現對文件內容的隨機訪問打開文件：將指定文件屬性信息復制到外存，并返回相應指針關閉文件：從內存中刪除指定文件屬性信息96.2文件的邏輯結構從用戶角度來看文件，研究文件的組織形式有結構文件（記錄式文件）無結構文件101.有結構文件數據的組織分三級：數據項：用來描述一個個體的某種屬性記錄：由多個數據項集合形成，用來描述一個個體某方面相對完整的屬性文件：多個記錄的有序集合，用來描述一個群體某方面相對完整的屬性記錄式文件分類：按照記錄的長度：定長和變長記錄文件按照邏輯組織：順序文件、索引文件和索引順序文件11順序文件一系列記錄按某種順序排列所形成的文件。串結構文件：按存入的先后次序進行排列順序結構文件：按關鍵字的次序進行排列優(yōu)點：批量存取效率高缺點：交互應用性能差12索引文件

為了提高變長記錄文件的存取速度，為每一文件建立一張索引表，將文件中的記錄號、長度和指向該記錄的指針記入索引表中的文件組織形式。13索引順序文件記錄按順序方式組織，每個文件也建立一張索引表，但只需為主文件的每一組記錄的第一個記錄設置一個索引表項。142.無結構文件（流式文件）由字符流構成的文件。其長度以字節(jié)為單位。對流式文件的訪問，則是采用讀寫指針來指出下一個要訪問的字符。文件：01……i……n-1讀寫指針156.3外存分配方式文件的物理結構：是從系統(tǒng)的角度來看文件，從文件在物理介質上的存放方式來研究文件外存的分配：以塊為單位外存分配目標：有效利用外存空間、提高對文件的訪問速度。外存分配方式：連續(xù)分配、鏈接分配、索引分配、混合索引分配16連續(xù)分配方式文件系統(tǒng)設計原理17012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址塊數count02tr143mail196list284f62文件目錄countftrmaillist18連續(xù)分配的優(yōu)缺點分析優(yōu)點分析簡單易用：技術機制非常簡單，易于實現和維護讀取速度快：連續(xù)空間分配使得文件讀取時磁盤工作量大大降低缺點分析文件不能動態(tài)增長：類似于“多道固定分區(qū)”存儲機制如果分配硬盤空間時預留擴充空間則會造成浪費如果不預留擴充空間又使得文件擴容時必須重新分配空間不利于文件的插入和刪除：技術機制簡單但是效率低下易造成磁盤空間的“外零頭”需要特定的程序負責“緊縮”磁盤空間何時使用連續(xù)空間分配？簡單應用環(huán)境，已知文件數量和大小文件系統(tǒng)設計原理19鏈接分配文件系統(tǒng)設計原理20文件名始址末址jeep925文件目錄01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-12521鏈接分配的優(yōu)缺點分析優(yōu)點分析磁盤空間利用效率很高,不存在外部碎片問題有利于文件插入和刪除有利于文件動態(tài)擴充缺點分析不利于文件的“隨機訪問”，依然需要進行“順序存取”使用指針的方式會造成很高的可靠性和安全性風險指針占用磁盤空間，造成文件存取不便上層應用以“塊”為單位讀取內容，指針占用空間后導致一個邏輯塊的內容無法被保存在一個磁盤塊中鏈接表方式的改進內存保存鏈接表方式（FAT）缺點在于使用內存保存FAT時，會占用大量內存空間文件系統(tǒng)設計原理22顯式鏈接分配方式23一個文件的信息存放在若干不連續(xù)物理塊中，系統(tǒng)為每個文件建立一個專用數據結構--索引表，并將這些塊的塊號存放在索引表中一個索引表就是磁盤塊地址數組,其中第i個條目指向文件的第i塊索引分配24012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep19

91611025-1-1-11925優(yōu)點：保持了鏈接結構的優(yōu)點，又解決了其缺點：即能順序存取，又能隨機存取滿足了文件動態(tài)增長、插入刪除的要求能充分利用外存空間26缺點：較多的尋道次數和尋道時間索引表本身帶來了系統(tǒng)開銷如：內外存空間，存取時間27012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep19

91611025-1-1-11928索引表組織:

鏈接模式:一個盤塊一個索引表,多個索引表鏈接起來多級索引:將一個大文件的所有索引表（二級索引)的地址放在另一個索引表（一級索引)中綜合模式:I-Node方法，既適應小文件，也滿足大文件需求29文件物理空間分配方式的總結文件系統(tǒng)設計原理連續(xù)分配鏈表方式索引方式存儲介質磁帶支持不支持不支持磁盤支持支持支持存取方式順序＋隨機存取順序順序＋隨機存取空間利用效率較低，會產生外零頭指針占用磁盤空間引起管理問題利用磁盤和內存，但效率很高應用環(huán)境分析最簡單、最原始中間過渡階段廣泛應用30

UNIX文件系統(tǒng)將多種索引分配方式結合在一起，稱作混合分配方式。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）混合索引分配31

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構后，文件最大可達16兆個物理塊32圖6-13混合索引方式331.基本概念文件控制塊（FCB）：文件控制塊是操作系統(tǒng)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（文件屬性）文件控制塊是文件存在的標志,與文件一一對應6.4目錄管理34

文件控制塊的內容：文件名，文件號，用戶名，文件地址，文件長度，文件類型，文件屬性，共享計數，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后訪問日期，口令，文件邏輯結構，文件物理結構35文件目錄：把所有的FCB組織在一起，就構成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合目錄項：構成文件目錄的項目（目錄項就是FCB）目錄文件：為了實現對文件目錄的管理，通常將文件目錄以文件的形式保存在外存，這個文件就叫目錄文件362.索引結點1)索引結點的引入圖6-15UNIX的文件目錄文件名索引結點編號文件名1文件名2……372、目錄的結構文件系統(tǒng)設計原理381）一級目錄結構為所有文件建立一個目錄文件（組成一線性表）優(yōu)點：簡單，易實現缺點：限制了用戶對文件的命名文件平均檢索時間長限制了對文件的共享392、目錄的結構文件系統(tǒng)設計原理402）二級目錄結構為改變一級目錄文件目錄命名沖突，并提高對目錄文件檢索速度而改進

目錄分為兩級：一級稱為主文件目錄，給出用戶名，用戶子目錄所在的物理位置；二級稱為用戶文件目錄（又稱用戶子目錄），給出該用戶所有文件的FCB412.兩級目錄優(yōu)點：解決了文件的重名問題和文件共享問題用戶名|文件名查找時間降低缺點：增加了系統(tǒng)開銷422、目錄的結構文件系統(tǒng)設計原理433.多級目錄結構(1)目錄結構圖6-18多級目錄結構3）多級目錄結構（樹型目錄）44優(yōu)點：層次結構清晰，便于管理和保護；有利于文件分類；解決重名問題；提高文件檢索速度；能進行存取權限的控制缺點：查找一個文件按路徑名逐層檢查，由于每個文件都放在外存，多次訪盤影響速度45目錄的其他實現方法哈希表算法：目錄項信息存在一哈希表中搜索時根據文件名計算哈希值得到一個指向表中文件的指針其他算法：如B+樹NTFS文件系統(tǒng)就采用了B+樹46文件系統(tǒng)的實現文件系統(tǒng)布局如何劃分磁盤空間——磁盤分區(qū)文件系統(tǒng)的技術實現文件的實現磁盤空間分配方案：連續(xù)、鏈接、索引目錄的實現如何有效的保存文件名、文件屬性和物理地址文件共享的實現磁盤空間管理以塊為單位使用磁盤空間——對比存儲管理中的“分頁式”空閑塊記錄與磁盤配額限制文件系統(tǒng)的可靠性與性能保證文件備份與文件系統(tǒng)一致性高速緩存、塊提前讀、減少磁盤臂運動文件系統(tǒng)設計原理47文件系統(tǒng)的內部結構48文件系統(tǒng)的實現：創(chuàng)建一個文件的過程(1)存儲屬性(2)存儲數據(3)記錄分配情況(4)添加文件名到目錄491.空閑表法

將所有空閑塊記錄在一個表中，即空閑表，其中每個表項對應一個空閑區(qū)，并登記有該空閑區(qū)的起始塊號和塊數等信息。2.空閑鏈表法把所有空閑區(qū)鏈成一個鏈空閑盤塊鏈只適合離散分配空閑盤區(qū)鏈任何分配方式6.5文件存儲空間的管理50圖6-21位示圖

3.位示圖法514.成組鏈接法

1.空閑盤塊的組織