第七章文件管理

第七章文件管理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

(1)基本數(shù)據(jù)項。這是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，又稱為數(shù)據(jù)元素或字段。例如，用于描述一個學生的基本數(shù)據(jù)項有：學號、姓名、年齡、所在班級等。

(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。如，經(jīng)理，它由正經(jīng)理和副經(jīng)理兩個基本項組成?；緮?shù)據(jù)項除了數(shù)據(jù)名外，還應有數(shù)據(jù)類型。由數(shù)據(jù)項的名字和類型兩者共同定義了一個數(shù)據(jù)項的“型”。而表征一個實體在數(shù)據(jù)項上的數(shù)據(jù)則稱為“值”。例如，學號/30211、姓名/王有年、性別/男等。2.記錄記錄是一組相關數(shù)據(jù)項的集合，用于描述一個對象在某方面的屬性。例如，一個學生，當把他作為班上的一名學生時，對他的描述應使用學號、姓名、年齡及所在系班，也可能還包括他所學過的課程的名稱、成績等數(shù)據(jù)項。還可以給每個記錄設置關鍵字。3.文件

文件——指由創(chuàng)建者所定義的、具有文件名的一組相關元素的集合。（最大的數(shù)據(jù)單位）

分類——有結(jié)構(gòu)文件（有若干相關記錄組成）無結(jié)構(gòu)文件（被看做一個字符流）

組成——文件名（一串ASCII碼或(和)漢字構(gòu)成)文件屬性（類型、大小、位置、創(chuàng)建時間等）1.文件名和擴展名（1）文件名

不同的操作系統(tǒng)，對文件名的規(guī)定不同。（2）擴展名

又稱后綴名，用于指示文件類型。2.文件類型（1）按用途分類（系統(tǒng)文件、用戶文件、庫文件）（2）按文件中的數(shù)據(jù)形式分類（源文件、目標文件、可執(zhí)行文件）（3）按存取控制屬性分類（只執(zhí)行文件、只讀文件、可讀寫文件）（4）按組織形式和系統(tǒng)對其處理方式的不同分類（普通文件、目錄文件、

特殊文件）

7.1.2文件名和類型和文件系統(tǒng)模型7.1.3文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.對象及其屬性①文件②目錄③磁盤(磁帶)存儲空間圖7-2文件系統(tǒng)模型2.對對象操縱和管理的軟件集合這是文件管理系統(tǒng)的核心部分。對文件存儲空間的管理、對文件目錄的管理、用于將文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的機制、對文件讀和寫的管理，以及對文件的共享與保護等功能。

3.文件系統(tǒng)的接口

(1)命令接口。

(2)程序接口。7.1.3文件操作（P225）創(chuàng)建文件。(2)刪除文件。(3)讀文件。1.最基本的文件操作(4)寫文件。(5)設置文件的讀/寫位置。2.文件的“打開”和“關閉”操作

打開（Open）——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。

關閉（Close）——不再需要時，可利用“關閉”(close)系統(tǒng)調(diào)用來關閉此文件，OS將會把該文件從打開文件表中的表目上刪除掉。3.其它文件操作為了方便用戶使用文件，OS都提供了數(shù)條有關文件操作的系統(tǒng)調(diào)用。

一類是有關對文件屬性進行操作的

另一類是有關目錄的

用于實現(xiàn)文件共享的系統(tǒng)調(diào)用用于對文件系統(tǒng)進行操作的系統(tǒng)調(diào)用等。

文件結(jié)構(gòu)的兩種形式：邏輯結(jié)構(gòu)——是從用戶的觀點出發(fā)所觀察到的文件組織形式，是用戶可以直接處理的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)。物理結(jié)構(gòu)——又稱文件的存儲結(jié)構(gòu)，指文件在外存上的存儲組織形式，不僅與存儲介質(zhì)的性能有關，而且與所采用的外存分配方式有關。7.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)7.2.1文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型1.按文件是否有結(jié)構(gòu)分類1）有結(jié)構(gòu)文件（一個以上的記錄構(gòu)成的文件，記錄式文件）（1）定長記錄（各記錄長度相等，數(shù)據(jù)項位置相同，順序、長度均相同）（2）變長記錄（各記錄長度不相等）2）無結(jié)構(gòu)文件（流式文件、長度以字節(jié)為單位）如：大量的源程序、可執(zhí)行文件、庫函數(shù)等，所采用的就是無結(jié)構(gòu)的文件形式，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。2.按文件的組織方式分類（針對有結(jié)構(gòu)文件）

(1)順序文件

(2)索引文件

(3)索引順序文件7.2.2順序文件的存取方法1.順序文件的排列方式（1）串結(jié)構(gòu)，按存入時間的先后排列，各記錄之間的順序與關鍵字無關。（2）順序結(jié)構(gòu)，指文件中的所有記錄按關鍵字(詞)排列。2.順序文件的優(yōu)缺點

優(yōu)點：批量存取，存取效率是所有邏輯文件中最高的；此外，也只有順序文件才能存儲在磁帶上，并能有效地工作。缺點：在交互應用的場合，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。這時，順序文件所表現(xiàn)出來的性能就可能很差；另外，增加、刪除一條記錄需要移動大量記錄、效率低。7.2.3記錄尋址1.隱式尋址方式（順序訪問）定長記錄：讀指針rptr——指向下一次讀出的記錄地址；寫指針wptr——指向下一次寫入的記錄地址。讀完指針做相應修改:rptr+L=>rptr

寫完指針做相應修改:wptr+L=>wptr變長記錄：每個記錄長度（Li）存于記錄前的單元中,長度為1,讀完時rptr+Li+1=>rptr111iL圖7-3定長和變長記錄文件2.顯示尋址方式（隨機訪問或直接訪問）（1）通過文件中記錄的位置對于定長記錄文件，如果要查找第i個記錄，可直接根據(jù)下式計算來獲得第i個記錄相對于第一個記錄首址的地址（可方便實現(xiàn)直接存?。?/p>

Ai=i×L

然而，對于可變長度記錄的文件，要查找其第i個記錄時，假定在每個記錄前用一個字節(jié)指明該記錄的長度，則（2）利用關鍵字圖7-4索引文件7.2.4索引文件（最廣泛的一種文件形式）

對索引文件（按關鍵字有序）的檢索：先根據(jù)用戶提供的關鍵字，折半查找。有較快的檢索速度、可方便實現(xiàn)直接存取。1.按關鍵字建立索引2.具有多個索引表的索引文件

適應不同用戶按照不同的屬性進行檢索。3.索引文件的優(yōu)缺點1）優(yōu)點：（1）改順序訪問的文件為隨機訪問的文件，提高的對文件的檢索速度。（2）插入、刪除方便。2）缺點：須配置一張索引表，因此增加了存儲開銷。7.2.5索引順序文件1.索引順序文件的特征

（1）按關鍵字有序

（2）能隨機訪問

（3）便于記錄的刪除和插入

（4）引入文件索引表

（5）增加了溢出(overflow)文件，用它來記錄新增加的、刪除的和修改的記錄。2.一級索引順序文件圖7-5索引順序文件3.兩級索引順序文件

對于一個非常大的文件，例如，對于一個含有106個記錄的順序文件，當把它作為索引順序文件時，為找到一個記錄，平均須查找1000個記錄。為了進一步提高檢索效率，可以為順序文件建立多級索引，即為索引文件再建立一張索引表，從而形成兩級索引表。

7.2.6

直接文件和哈希文件1.直接文件

對于直接文件，則可根據(jù)給定的記錄鍵值，直接獲得指定記錄的物理地址。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(Keytoaddresstransformation)。組織直接文件的關鍵，在于用什么方法進行從記錄值到物理地址的轉(zhuǎn)換。2.哈希(Hash)文件（最廣泛的一種直接文件）圖7-6Hash文件的邏輯結(jié)構(gòu)A=H(K)它利用Hash函數(shù)(或稱散列函數(shù))，可將記錄鍵值轉(zhuǎn)換為相應記錄的地址。但為了能實現(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記錄的地址，而是指向一目錄表相應表目的指針，該表目的內(nèi)容指向相應記錄所在的物理塊。文件目錄：是文件系統(tǒng)中主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一,用于標識系統(tǒng)中的文件及其物理地址，供檢索時使用。7.3

文件目錄對目錄管理的要求如下：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。1.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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了為管理文件所需的所有有關信息。文件控制塊是文件存在的標志。7.3.1文件控制塊和索引結(jié)點文件控制塊、文件目錄、目錄文件的關系圖7-7MS-DOS的文件控制塊文件名1物理位置邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)存取控制信息使用信息文件名2物理位置邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)存取控制信息使用信息文件名3物理位置邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)存取控制信息使用信息文件名4物理位置邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)存取控制信息使用信息………………文件名n物理位置邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)存取控制信息使用信息FCB文件目錄以文件的形式存入磁盤目錄文件

2．索引結(jié)點

1)索引結(jié)點的引入文件目錄通常是存放在磁盤上的，當文件很多時，文件目錄可能要占用大量的盤塊。查找僅涉及文件的文件名；當文件名匹配成功時才涉及FCB中的其他信息。檢索效率低。如一個FCB為64B，盤塊大小為1KB，則每個盤塊中只能存放16個FCB；若一個文件目錄中共有640個FCB，需占用40個盤塊，故平均查找一個文件需啟動磁盤20次。

查找只與文件名有關，與FCB中其他向無關，為此，UNIX系統(tǒng)中，將文件名與文件描述信息分開的辦法。使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的i結(jié)點的指針所構(gòu)成。圖7-8UNIX的文件目錄文件名索引結(jié)點編號文件名1文件名2……

在UNIX系統(tǒng)中一個目錄僅占16個字節(jié)，其中14個字節(jié)是文件名，2個字節(jié)為i結(jié)點指針。在1KB的盤塊中可做64個目錄項，這樣，可使平均啟動磁盤次數(shù)減少到原來的1/4，大大節(jié)省了系統(tǒng)開銷。2)磁盤索引結(jié)點

(1)文件主標識符，即擁有該文件的個人或小組的標識符。

(2)文件類型，包括正規(guī)文件、目錄文件或特別文件。

(3)文件存取權(quán)限，指各類用戶對該文件的存取權(quán)限。

(4)文件物理地址，每一個索引結(jié)點中含有13個地址項，即iaddr(0)～iaddr(12)，它們以直接或間接方式給出數(shù)據(jù)文件所在盤塊的編號。

(5)文件長度，指以字節(jié)為單位的文件長度。

(6)文件連接計數(shù)，表明在本文件系統(tǒng)中所有指向該(文件的)文件名的指針計數(shù)。

(7)文件存取時間，指本文件最近被進程存取的時間、最近被修改的時間及索引結(jié)點最近被修改的時間。

3)內(nèi)存索引結(jié)點文件打開時，將磁盤索引結(jié)點拷貝到內(nèi)存的索引結(jié)點中。在內(nèi)存索引結(jié)點中又增加了以下內(nèi)容：

(1)索引結(jié)點編號，用于標識內(nèi)存索引結(jié)點。

(2)狀態(tài)，指示i結(jié)點是否上鎖或被修改。

(3)訪問計數(shù)，每當有一進程要訪問此i結(jié)點時，將該訪問計數(shù)加1，訪問完再減1。

(4)文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設備號。

(5)鏈接指針。設置有分別指向空閑鏈表和散列隊列的指針。1.單級文件目錄文件名物理地址文件說明狀態(tài)位文件名1該目錄項是否空閑文件名2…圖7-9單級文件目錄

在整個文件系統(tǒng)中只建立一張目錄表，每個文件占一個目錄項。7.3.2簡單的文件目錄

單級目錄的優(yōu)點：

（1）簡單；（2）實現(xiàn)按名存取。

單級目錄的缺點：

(1)查找速度慢。

(2)不允許重名。

(3)不便于實現(xiàn)文件共享

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將目錄分為兩級：

一級稱為主文件目錄（MFD），每個用戶目錄占一個目錄項

二級稱為用戶文件目錄（UFD）：由該用戶所有文件的文件控制塊組成。產(chǎn)生于多用戶分時系統(tǒng)，DOS2.0版本以上采用。2.兩級目錄2.兩級目錄圖7-10

兩級目錄結(jié)構(gòu)

兩級目錄結(jié)構(gòu)基本上克服了單級目錄的缺點，并具有以下優(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。存在的問題：該結(jié)構(gòu)能有效地將多個用戶隔開，但這種隔離會使諸用戶之間不便于共享文件，不利于用戶間的合作。7.3.3樹形結(jié)構(gòu)目錄（P236）1.樹形目錄圖6-18多級目錄結(jié)構(gòu)主目錄有3個用戶ABCB用戶的3個分目錄F分目錄包含兩個文件J、N2.路徑名和當前目錄（1）路徑名（絕對路徑名）在樹形目錄結(jié)構(gòu)中，從根目到任何數(shù)據(jù)文件的路徑，都只有一條惟一的通路。在該路徑上從樹的根(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。（2）當前目錄(CurrentDirectory)（相對路徑名）可為每個進程設置一個“當前目錄”，又稱為“工作目錄”。把從當前目錄開始直到數(shù)據(jù)文件為止所構(gòu)成的路徑名，稱為相對路徑名(relativepathname)；

優(yōu)點：查詢速度更快，層次結(jié)構(gòu)更加清晰，能夠更加有效地進行文件的管理和保護。容易賦予不同的存取權(quán)限。缺點：查找一個文件，需要按路徑名逐級訪問中間節(jié)點，這就增加了磁盤訪問次數(shù)，無疑將影響查詢速度。目前，大多數(shù)操作系統(tǒng)如UNIX、Linux和Windows系列都采用了樹形文件目錄。3.目錄操作

（1）創(chuàng)建目錄

（2）刪除目錄不刪除非空目錄?？蓜h除非空目錄（3）改變目錄。（4）移動目錄。（5）鏈接(Link)操作。（6）查找7.3.4目錄查詢技術(shù)

1．線性檢索法線性檢索法又稱為順序檢索法。

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。

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。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。

1.線性檢索法圖7-12

查找/usr/ast/mbox的步驟

如查找/usr/ast/mbox的步驟：

2．Hash方法在7.2.6節(jié)中曾介紹了Hash文件。如果我們建立了一張Hash索引文件目錄，便可利用Hash方法進行查詢，即系統(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（該文件對應目錄項的地址），再利用該索引值到目錄中去查找，這將顯著地提高檢索速度。注意：可能存在沖突，要處理沖突

7.4文件共享文件共享形式與目的1）定義

:一個文件被多個用戶或程序使用2）共享形式：被多個用戶使用，由存取權(quán)限控制，多個用戶用相同或不同的名字來訪問同一文件。被多個程序使用，但各用自己的讀寫指針。被多個程序使用，但共享讀寫指針。3）目的:節(jié)省時間和存儲空間，減少了用戶工作量；進程間通過文件交換信息7.4.1基于有向無循環(huán)圖實現(xiàn)文件共享1.有向無循環(huán)圖DAG問題：新增加的內(nèi)容無法共享，新增加的盤塊只出現(xiàn)在執(zhí)行了操作的目錄中。2.利用索引結(jié)點

含有除文件名之外的所有屬性信息。目錄項中只含有文件名和指向索引結(jié)點的指針。圖7-15進程B鏈接前后的情況7.4.2利用符號鏈實現(xiàn)文件共享

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；而共享該文件的其他用戶，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。BCDEB1C1D1E1Fc:/zhang/san/B符號鏈實現(xiàn)文件共享優(yōu)缺點：優(yōu)點：方便地鏈接任一文件（用路徑名）缺點：訪問共享文件時開銷大（多次讀盤，消費盤空間），每一共享文件都要增加一文件名（因路徑名各不相同）

7.5文件保護

影響文件安全性的主要因素有：

(1)人為因素——通過存取控制機制防止

(2)系統(tǒng)因素——采取系統(tǒng)容錯技術(shù)防止

(3)自然因素——建立后備系統(tǒng)7.5.1保護域(ProtectionDomain)

1.訪問權(quán)

為了對系統(tǒng)中的對象加以保護，應由系統(tǒng)來控制進程對對象的訪問。我們把一個進程能對某對象執(zhí)行操作的權(quán)力，稱為訪問權(quán)(Accessright)。

如（F1（對象名），{R/W

}（權(quán)集））

2.保護域

對資源進行保護，保護域簡稱為“域”?！坝颉笔沁M程對一組對象訪問權(quán)的集合，進程只能在指定域內(nèi)執(zhí)行操作。這樣，“域”也就規(guī)定了進程所能訪問的對象和能執(zhí)行的操作。

3.進程和域間的靜態(tài)聯(lián)系

在進程和域之間一一對應。

在進程的整個生命期中，其可用資源是固定的，我們把這種域稱為“靜態(tài)域”。在這種情況下，進程運行的全過程都是受限于同一個域，這將會使賦予進程的訪問權(quán)超過了實際需要。

4.進程和域間的動態(tài)聯(lián)系方式

在進程和域之間，也可以是一對多的關系，即一個進程可以聯(lián)系著多個域。在此情況下，可將進程的運行分為若干個階段，其每個階段聯(lián)系著一個域。7.5.2訪問矩陣

1.基本的訪問矩陣

訪問矩陣中的行代表域，列代表對象，矩陣中的每一項是由一組訪問權(quán)組成的。每一項訪問權(quán)access(i,j)定義了在域Di中執(zhí)行的進程能對對象Qj所施加的操作集。圖7-18一個訪問矩陣2.具