第八章-文件系統(tǒng)

第8章

文件系統(tǒng)8.1文件系統(tǒng)的概念8.1文件系統(tǒng)的概念

1、文件系統(tǒng)的引入圖8.1操作系統(tǒng)的軟硬件管理為了實(shí)現(xiàn)透明存取，出現(xiàn)文件系統(tǒng)：不必了解文件存放的物理結(jié)構(gòu)、查找方法等與存取介質(zhì)有關(guān)的部分；只需給定一個(gè)文件名，文件系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成相對(duì)應(yīng)的有關(guān)操作。文件系統(tǒng)完成任務(wù)：對(duì)輔助空間統(tǒng)一管理設(shè)立文件邏輯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)按名存取設(shè)立文件物理結(jié)構(gòu)，便于存放、加工信息查找存儲(chǔ)設(shè)備中的文件信息實(shí)現(xiàn)文件的共享和保護(hù)2.文件與文件系統(tǒng)的概念文件：一組賦名的相關(guān)聯(lián)字符流的集合，或者是相關(guān)聯(lián)記錄的集合。類型流式無結(jié)構(gòu)：字符流，用于源程序，目標(biāo)程序等。記錄式有結(jié)構(gòu)：是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，由N個(gè)字節(jié)組成的具有特定意義的信息單位。關(guān)鍵字能唯一地標(biāo)識(shí)出記錄的基本/組合數(shù)據(jù)項(xiàng)。主要用于信息管理。文件名命名符合標(biāo)識(shí)符的定義。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)。負(fù)責(zé)為用戶建立文件，撤消、讀寫、修改和復(fù)制文件，完成對(duì)文件的按名存取，并進(jìn)行存取控制。文件系統(tǒng)的特點(diǎn)友好的用戶接口，用戶只對(duì)文件進(jìn)行操作，而不管文件結(jié)構(gòu)和存放的物理位置。對(duì)文件按名存取，對(duì)用戶透明。某些文件可以被多個(gè)用戶或進(jìn)程所共享。多使用磁盤等大容量存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)，可存儲(chǔ)大量信息。3.文件的分類按性質(zhì)和用途分類：系統(tǒng)文件：只允許用戶通過系統(tǒng)調(diào)用來執(zhí)行它們，而不允許讀寫和修改。主要由操作系統(tǒng)核心、各種系統(tǒng)應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)所組成。庫文件：允許用戶讀取、執(zhí)行，但不允許修改。主要由各種標(biāo)準(zhǔn)子程序庫組成。用戶文件：用戶委托文件系統(tǒng)保存的文件。只由文件的所有者或所有者授權(quán)的用戶才能使用。主要由源程序、目標(biāo)程序、用戶數(shù)據(jù)庫等組成。按組織形式分類普通文件：指組織格式為系統(tǒng)中所規(guī)定的最一般格式的文件，如由字符流組成的文件。目錄文件：由文件的目錄信息構(gòu)成的特殊文件。該文件的內(nèi)容不是各種程序或應(yīng)用數(shù)據(jù)，而是用來檢索普通文件的目錄信息。特殊文件：在UNIX系統(tǒng)中，所有的輸入、輸出設(shè)備都被看作特殊文件。在使用形式上與普通文件相同，如查找目錄、存取操作等。但特殊文件的使用和設(shè)備處理程序緊密相連。系統(tǒng)必須把對(duì)特殊文件的操作轉(zhuǎn)入到對(duì)不同的設(shè)備的操作。按信息流向分類輸入文件，輸出文件，輸入輸出文件保護(hù)級(jí)別（存取控制）R，R/W，E（可執(zhí)行），不保護(hù)8.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)與存取方法概念：用戶所能觀察和訪問到的文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織，獨(dú)立于物理特性，容易檢索和修改。無論是邏輯還是物理結(jié)構(gòu)，都會(huì)影響到文件的檢索速度8.2.1邏輯結(jié)構(gòu)用戶可見，可分為兩大類：字符流式的無結(jié)構(gòu)文件記錄式的有結(jié)構(gòu)文件選取文件的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循的原則當(dāng)用戶對(duì)文件信息進(jìn)行修改時(shí)，應(yīng)能盡量減少對(duì)已存儲(chǔ)好的文件信息的變動(dòng)。應(yīng)使文件系統(tǒng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)查找到需要查找的記錄或基本信息單位。應(yīng)使文件信息占據(jù)最小的存儲(chǔ)空間。應(yīng)便于用戶操作。8.2.1邏輯結(jié)構(gòu)字符流的無結(jié)構(gòu)文件：查找基本信息單位，例如某個(gè)單詞比較困難。管理簡單，用戶可以方便地進(jìn)行操作。那些對(duì)基本信息單位操作不多的文件較適于采用字符流的無結(jié)構(gòu)方式，例如，源程序文件、目標(biāo)代碼文件等。記錄式的有結(jié)構(gòu)文件：可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)，以使用戶對(duì)文件中的記錄進(jìn)行修改、追加、查找和管理等操作。8.2.1邏輯結(jié)構(gòu)記錄是一個(gè)具有特定意義的信息單位，它由該記錄在文件中的邏輯地址(相對(duì)位置)與記錄名所對(duì)應(yīng)的一組鍵、屬性及其屬性值所組成。圖8.2記錄組成例8.2.1邏輯結(jié)構(gòu)常用的記錄式結(jié)構(gòu)：4種(1)連續(xù)結(jié)構(gòu)把記錄按照生成的先后順序連續(xù)排列的邏輯結(jié)構(gòu)。適用性強(qiáng)，可用于所有文件，且記錄的排列順序與記錄的內(nèi)容無關(guān)。有利于記錄的追加與變更。缺點(diǎn)：搜索性能較差。8.2.1邏輯結(jié)構(gòu)(2)多重結(jié)構(gòu)把記錄按鍵和記錄名排列成行列式結(jié)構(gòu)，則一個(gè)包含n個(gè)記錄名、m個(gè)(m≤n)個(gè)鍵的文件構(gòu)成一m*n維行列式。其中，如果第i行和第j列所對(duì)應(yīng)的位置上為1，則表示關(guān)鍵字Ki在記錄Rj中；反之，則表示關(guān)鍵字Ki不在記錄Rj中。另外，同一個(gè)關(guān)鍵字也可以同時(shí)屬于不同的記錄。圖8.3文件的記錄名和關(guān)鍵字構(gòu)成的行列式8.2.1邏輯結(jié)構(gòu)把行列式中那些為零的項(xiàng)去掉，并以鍵Ki為隊(duì)首，以包含鍵Ki的記錄為隊(duì)列元素來構(gòu)成一個(gè)記錄隊(duì)列。對(duì)于一個(gè)有m個(gè)鍵的隊(duì)列來說，這樣的隊(duì)列有m個(gè)。這m個(gè)隊(duì)列構(gòu)成了該文件的多重結(jié)構(gòu)(multi_list)。圖8.4文件的多重結(jié)構(gòu)

(3)轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)把含有相同鍵的記錄指針全部指向該鍵，也就是說，把所有與同一鍵對(duì)應(yīng)的記錄的指針連續(xù)地置于目錄中該鍵的位置下。轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)最適合于給定鍵后的記錄搜索。(4)順序結(jié)構(gòu)給定了順序規(guī)定(例如按字母順序)，則把文件中的鍵按規(guī)定的順序排列起來就形成了順序結(jié)構(gòu)文件，如按時(shí)間。圖8.5文件的轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)

8.2.2存取方法用戶通過對(duì)文件的存取來完成對(duì)文件的修改、追加和搜索等操作。文件的存取是要找到文件內(nèi)容所在的邏輯地址。常用的存取方法有三種：順序存取法：按照文件的邏輯地址順序存取。在記錄式文件中，反映為按記錄的排列順序來存取，例如，若當(dāng)前讀取的記錄為Ri，則下一次讀取的記錄被自動(dòng)地確定為Ri的下一個(gè)相鄰的記錄Ri+1。在無結(jié)構(gòu)的字符流文件中，順序存取反映當(dāng)前讀寫指針的變化。在存取完一段信息之后，讀寫指針自動(dòng)加上或減去該段信息長度，以便指出下次存取時(shí)的位置。8.2.2存取方法隨機(jī)存取法(直接存取)：允許用戶根據(jù)記錄的編號(hào)來存取文件的任一記錄，或是根據(jù)存取命令把讀寫指針移到欲讀寫處來讀寫。按關(guān)鍵字存取法：一種用在復(fù)雜文件系統(tǒng)，特別是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的存取方法。文件的存取是根據(jù)給定的關(guān)鍵字或記錄名進(jìn)行的。按關(guān)鍵字存取法首先搜索到要進(jìn)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(jìn)行存取。8.3文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)不同種類的文件采用不同的存取方法。無論是哪種存取方法，都是首先搜索到操作對(duì)象記錄或某段字符流信息的邏輯地址，然后，由邏輯地址映射到對(duì)應(yīng)的物理地址，再對(duì)物理地址的有關(guān)信息進(jìn)行操作的。由邏輯地址到物理地址的映射和文件的存儲(chǔ)方式（即文件的物理結(jié)構(gòu)）緊密相關(guān)。文件系統(tǒng)采用哪種存取方法和邏輯結(jié)構(gòu)，與物理存儲(chǔ)介質(zhì)有關(guān)。8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)文件的存儲(chǔ)設(shè)備通常劃分為若干個(gè)大小相等的物理塊。每塊長為512字節(jié)或1024字節(jié)。為了有效利用存儲(chǔ)設(shè)備和便于系統(tǒng)管理，一般把文件信息也劃分為與物理存儲(chǔ)設(shè)備的物理塊大小相等的邏輯塊。以塊作為分配和傳送信息的基本單位。對(duì)于字符流的無結(jié)構(gòu)文件，每個(gè)物理塊中存放長度相等的文件信息(存儲(chǔ)文件尾部信息的物理塊除外)。對(duì)于記錄式文件，由于記錄長度既可以是固定的，也可以是可變的，而且其長度不一定剛好等于其物理塊的長度，從而給由記錄的邏輯地址到物理地址的變換帶來了額外負(fù)擔(dān)。8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)1.連續(xù)文件（磁盤可采用）一種最簡單的物理文件結(jié)構(gòu)，它把一個(gè)在邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放到物理塊中。一個(gè)邏輯塊號(hào)為0，1，2，3的文件依次存放在物理塊10，11，12，13中。連續(xù)文件結(jié)構(gòu)

8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：簡單順序訪問容易且速度快，因磁頭移動(dòng)距離小。要求連續(xù)空間，一段時(shí)間后需整理磁盤以消除外部碎片。必須事先知道長度，文件不易動(dòng)態(tài)增長和刪除。文件對(duì)應(yīng)目錄項(xiàng)（屬性）中包含：始址、總塊數(shù)、最后一塊字節(jié)數(shù)。8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)2.串聯(lián)文件用非連續(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(gè)物理塊設(shè)有一個(gè)指針，指向其后續(xù)連接的另一個(gè)物理塊，使得存放同一文件的物理塊鏈接成一個(gè)串聯(lián)隊(duì)列。文件離散地分配于各盤塊中，以提高外存利用率，文件長度可變，易于增刪。但不適合隨機(jī)存取。對(duì)應(yīng)目錄項(xiàng)：鏈表的首指針圖8.9串聯(lián)文件的物理結(jié)構(gòu)8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)隱式鏈接文件目錄表中有start塊號(hào)，每塊中有下一塊號(hào)。特點(diǎn)：只適合于順序訪問，對(duì)隨機(jī)訪問效率低，可靠性差。簇：包含多個(gè)塊的單位，當(dāng)以它為單位分配并鏈接，可減少訪問時(shí)間，但增大了內(nèi)部碎片

顯式鏈接：把用于鏈接的指針顯式存放在內(nèi)存的一張表中，查找在內(nèi)存中進(jìn)行。8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)3.索引文件要求系統(tǒng)為每個(gè)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(hào)和與之對(duì)應(yīng)的物理塊號(hào)。索引表的物理地址則由文件說明信息項(xiàng)給出。既可以滿足文件動(dòng)態(tài)增長的要求，又可以較為方便和迅速地實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取。因?yàn)橛嘘P(guān)邏輯塊號(hào)和物理塊號(hào)的信息全部放在一個(gè)集中的索引表中，而不是分散在各個(gè)物理塊中。圖8.10索引文件示意圖8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)在很多情況下，有的文件很大，文件索引表也就較大。如果索引表的大小超過了一個(gè)物理塊，就必須像處理其他文件的存放那樣決定索引表的物理存放方式，但這不利于索引表的動(dòng)態(tài)增加；索引表也可按串聯(lián)方式存放，但這卻增加了存放索引表的時(shí)間開銷。一種較好的解決辦法是采用間接索引（多重索引)，即在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地址。這樣，如果一個(gè)物理塊可裝下n個(gè)物理塊地址，則經(jīng)過一級(jí)間接索引，可尋址的文件長度將變?yōu)閚*n塊。如果文件長度還是大于n*n塊，還可以進(jìn)行類似的擴(kuò)充，即二級(jí)間接索引。8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)圖8.11多重索引結(jié)構(gòu)

8.3.1文件的物理結(jié)構(gòu)在實(shí)際系統(tǒng)中，總是把索引表的前幾項(xiàng)設(shè)計(jì)成直接尋址方式，也就是這幾項(xiàng)所指的物理塊中存放的是文件信息；而索引表的后幾項(xiàng)設(shè)計(jì)成多重索引，也就是間接尋址方式。8.3.2文件存儲(chǔ)設(shè)備1.順序存取設(shè)備：只有在前面的物理塊被存取訪問過之后，才能存取后續(xù)的物理塊的內(nèi)容。磁帶最典型。為了在存取一個(gè)物理塊時(shí)讓磁帶機(jī)提前加速和不停止在下一個(gè)物理塊的位置上，磁帶的兩相鄰的物理塊之間設(shè)計(jì)有一個(gè)間隙。圖7.12磁帶的結(jié)構(gòu)

8.3.2文件存儲(chǔ)設(shè)備2.直接存取設(shè)備磁盤最典型。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(gè)特定的物理塊，磁頭將直接移動(dòng)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。

8.3.2文件存儲(chǔ)設(shè)備由一些磁盤片組成的磁盤組組成。每個(gè)磁盤片對(duì)應(yīng)一個(gè)裝有讀寫磁頭的磁頭臂，磁頭臂上的兩個(gè)讀寫磁頭分別對(duì)磁盤片的上下兩面進(jìn)行讀寫。系統(tǒng)在對(duì)磁盤進(jìn)行初始化時(shí)，把每個(gè)磁盤片分割成一些大小相等的扇區(qū)。在磁盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)經(jīng)過讀寫磁頭所形成的圓形軌跡稱為磁道。由于磁頭臂可沿半徑方向移動(dòng)。因此，磁盤上有多條磁道。把所有磁盤片的相同磁道稱為一個(gè)柱面，因此，磁盤上每個(gè)物理塊的位置可用柱面號(hào)、磁頭號(hào)和扇區(qū)號(hào)表示，這些地址和物理塊號(hào)一一對(duì)應(yīng)。圖8.13磁盤的結(jié)構(gòu)

8.4文件存儲(chǔ)空間管理文件存儲(chǔ)設(shè)備被分成若干個(gè)大小相等的物理塊，以塊為單位來交換信息。文件存儲(chǔ)空間的管理實(shí)質(zhì)上是空閑塊的組織和管理問題空閑塊的組織；空閑塊的分配；空閑塊的回收等。有3種不同的空閑塊管理方法：空閑文件目錄；空閑塊鏈；位示圖。8.4文件存儲(chǔ)空間管理1空閑文件目錄空閑塊的塊號(hào)統(tǒng)一放在一個(gè)稱為空閑文件目錄的物理塊中。其中每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)由多個(gè)空閑塊構(gòu)成的空閑區(qū)，它包括空閑塊個(gè)數(shù)、第一個(gè)空閑塊號(hào)等。系統(tǒng)為某個(gè)文件分配空閑塊時(shí)：首先掃描空閑文件目錄項(xiàng)，如找到合適的空閑區(qū)項(xiàng)，則分配給申請(qǐng)者，并把該項(xiàng)從空白文件目錄中去掉。如果一個(gè)空閑區(qū)項(xiàng)不能滿足申請(qǐng)者要求，則把目錄中另一項(xiàng)分配給申請(qǐng)者。如果一個(gè)空閑區(qū)項(xiàng)所含塊數(shù)超過申請(qǐng)者要求，則為申請(qǐng)者分配了所要的物理塊之后，再修改該表項(xiàng)。當(dāng)一個(gè)文件被刪除，釋放存儲(chǔ)物理塊時(shí)，系統(tǒng)把被釋放的塊號(hào)、長度以及第一塊塊號(hào)置入空白目錄文件的新表項(xiàng)中。內(nèi)存管理中的有關(guān)空閑連續(xù)區(qū)分配和釋放算法，只要稍加修改就可用于空閑文件項(xiàng)的分配和回收。適用于連續(xù)文件結(jié)構(gòu)的文件存儲(chǔ)區(qū)的分配與回收。8.4文件存儲(chǔ)空間管理2空閑塊鏈把文件存儲(chǔ)設(shè)備上的所有空閑塊鏈接在一起，當(dāng)申請(qǐng)者需要空閑塊時(shí)，分配程序從鏈頭開始摘取所需要的空閑塊，然后調(diào)整鏈?zhǔn)字羔?。?dāng)回收空閑塊時(shí)，釋放的空間塊逐個(gè)插入鏈尾上。常用的鏈接方法：按空閑區(qū)大小順序鏈接；按釋放先后順序鏈接；按成組鏈接法。成組鏈接法可被看作空閑塊鏈的鏈接法的擴(kuò)展。8.4文件存儲(chǔ)空間管理2空閑塊鏈成組鏈法首先把文件存儲(chǔ)設(shè)備中的所有空閑塊按50塊劃分為一組。組的劃分為從后往前順次劃分。其中，每組的第一塊用來存放前一組中各塊的塊號(hào)和總塊數(shù)。由于第一組的前面已無其他組存在，因此，第一組的塊數(shù)為49。由于存儲(chǔ)設(shè)備的空間塊不一定正好是50的整倍數(shù)，因而最后一組將不足50塊，且由于該組后而已無另外的空閑塊組，所以，該組的物理塊號(hào)與總塊數(shù)只能放在管理文件存儲(chǔ)設(shè)備用的文件資源表中。在成組鏈法對(duì)文件設(shè)備進(jìn)行了上述分組之后，系統(tǒng)可根據(jù)申請(qǐng)者的要求進(jìn)行空閑塊的分配，并在釋放文件時(shí)回收空閑塊。系統(tǒng)初啟時(shí)，把文件資源表復(fù)制到內(nèi)存，使文件資源表中放有最后一組空閑塊塊號(hào)與總塊數(shù)的堆棧進(jìn)入內(nèi)存——空閑塊的分配與釋放可在內(nèi)存進(jìn)行，不用每次分配和釋放都啟動(dòng)I/O設(shè)備。用于空閑塊分配與回收的堆棧有棧指針Ptr，Ptr的初值等于該組空閑塊的總塊數(shù)。當(dāng)申請(qǐng)者提出空閑塊要求n時(shí)，按后進(jìn)先出的原則，分配程序在取走Ptr所指的塊號(hào)之后，再做Ptr←Ptr-l的操作。這個(gè)過程一直持續(xù)到所要求的n塊都己分配完畢或堆棧中只剩下最后一個(gè)空閑塊的塊號(hào)。當(dāng)堆棧中只剩下最后一個(gè)空閑塊號(hào)時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)設(shè)備管理程序，將該塊中存放的下一組的塊號(hào)與總塊數(shù)讀入內(nèi)存，之后將該塊分配給申請(qǐng)者。然后，系統(tǒng)重新設(shè)置Ptr指針，并繼續(xù)為申請(qǐng)者進(jìn)程分配空閑塊。文件存儲(chǔ)設(shè)備的最后一個(gè)空閑塊中設(shè)置有尾部標(biāo)識(shí)，以指示空閑塊分配完畢。刪除文件時(shí)，回收程序回收相應(yīng)的物理塊。在回收時(shí)，回收程序先做Ptr←Ptr+1操作，然后把回收的物理塊號(hào)放入當(dāng)前指針Ptr所指的位置。如果Ptr等于50，則表示該組已經(jīng)回收結(jié)束。此時(shí)，如果還有新的物理塊需要回收的話，回收該塊并啟動(dòng)I/O設(shè)備管理程序，把回收的50個(gè)塊號(hào)與塊數(shù)寫入新回收的塊中。然后，將Ptr重新置1，另起一個(gè)新組。對(duì)空閑塊的分配和釋放必須寫互斥進(jìn)行，否則將會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)混亂。成組鏈接法（UNIX）空閑盤塊的組織?？臻e盤塊號(hào)棧：空閑盤塊的分配與回收分配：到s.free(0)時(shí)，由于該塊內(nèi)容為下一組的盤號(hào)，將內(nèi)容加入空閑盤塊號(hào)棧中，再分配?；厥眨旱絪.free(100)時(shí)，將空閑盤塊棧中內(nèi)容放入新到的回收塊中，將該回收塊作為棧底。圖8.14成組鏈法的組織

3位示圖法系統(tǒng)首先從內(nèi)存中劃出若干個(gè)字節(jié)，為每個(gè)文件存儲(chǔ)設(shè)備建立一張位示圖。這張位示圖反映每個(gè)文件存儲(chǔ)設(shè)備的使用情況。在位示圖中，每個(gè)文件存儲(chǔ)設(shè)備的物理塊都對(duì)應(yīng)一個(gè)比特位。如果該位為“0”

，則表示所對(duì)應(yīng)的塊是空閑塊；如果該位為“1”

，則表示所對(duì)應(yīng)的塊已被分配出去。8.5文件目錄管理把文件名和對(duì)該文件實(shí)施控制管理的控制管理信息稱為該文件的文件說明；每個(gè)文件說明按一定的邏輯結(jié)構(gòu)存放在物理存儲(chǔ)塊的一個(gè)表目中。利用文件說明信息，可以完成對(duì)文件的創(chuàng)建、檢索及維護(hù)。因此，把一個(gè)文件的文件說明信息稱為該文件的目錄。對(duì)文件目錄的管理就是對(duì)文件說明信息的管理。功能： 按名存?。惶岣邫z索速度；文件共享；允許文件重名。8.5.1文件的組成一個(gè)文件包括：文件說明、文件體。文件體指文件本身的信息，它可能是記錄式文件或字符流式文件。文件說明也叫文件控制塊FCB。它至少包括：文件名、與文件名相對(duì)應(yīng)的文件內(nèi)部標(biāo)識(shí)、文件信息在文件存儲(chǔ)設(shè)備上第一個(gè)物理塊的地址。另外，根據(jù)系統(tǒng)要求不同，它還包括關(guān)于文件邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、存取控制和管理信息（訪問時(shí)間等）等。文件說明組成目錄文件。文件系統(tǒng)利用目錄文件完成按名存取和對(duì)文件信息的共享與保護(hù)。8.5.2文件目錄單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)為存儲(chǔ)設(shè)備的所有文件建立一張目錄表，每個(gè)文件在其中占有一項(xiàng)用來存放文件說明信息。該目錄表存放在存儲(chǔ)設(shè)備的某固定區(qū)域。在系統(tǒng)初啟時(shí)或需要時(shí)，系統(tǒng)將其調(diào)入內(nèi)存（或部分調(diào)入內(nèi)存)。文件系統(tǒng)通過該表提供的信息，對(duì)文件進(jìn)行創(chuàng)建、搜索、刪除等操作。例如，當(dāng)建立一個(gè)文件時(shí)，首先從該表中申請(qǐng)一項(xiàng)，并存入相關(guān)說明信息；當(dāng)刪除一個(gè)文件時(shí)，就從該表中刪去一項(xiàng)。利用單級(jí)目錄，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)文件系統(tǒng)空間的自動(dòng)管理和按名存取。8.5.2文件目錄例如，當(dāng)用戶進(jìn)程要求對(duì)某個(gè)文件進(jìn)行讀寫操作時(shí)，他進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)入文件系統(tǒng)，此時(shí)，CPU控制權(quán)在文件系統(tǒng)手中。文件系統(tǒng)首先根據(jù)給定的文件名，搜索單級(jí)文件目錄表，查找文件信息的物理塊號(hào)。如果搜索不到對(duì)應(yīng)文件名，則失敗返回(讀操作時(shí))，或由空閑塊分配程序進(jìn)行空閑塊分配后，再修改單級(jí)目錄表。如果已找到對(duì)應(yīng)的第一個(gè)物理塊塊號(hào)，則根據(jù)文件對(duì)應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)信息，計(jì)算出所要讀寫的信息塊物理塊塊號(hào)，然后把CPU控制權(quán)交給設(shè)備管理系統(tǒng)，啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行讀寫操作。特點(diǎn)：簡單；搜索速度慢/不允許重名/不便于共享(不能用不同名字訪問同一文件)。圖8.15單級(jí)目錄的讀寫處理過程

二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

各個(gè)文件的說明信息被組織成目錄文件，以用戶為單位把各自的文件說明劃分為不同的組。不同組名的相關(guān)存取控制信息存放在主目錄(MFD)的目錄項(xiàng)中。二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

用戶文件的文件說明所組成的目錄文件被稱為用戶文件目錄（UFD）。MFD和UFD形成二級(jí)目錄。當(dāng)用戶要對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行存取操作或創(chuàng)建、刪除一個(gè)文件時(shí)，首先從MFD找到對(duì)應(yīng)的目錄名，并從用戶名查找到該用戶的UFD。余下操作與單級(jí)目錄時(shí)相同。二級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

特點(diǎn):提高了搜索速度:如：n個(gè)用戶，每用戶最多m個(gè)文件，則最壞速度為n+m,而非n*m；可重名；可共享（但不方便）。把一級(jí)目錄的層次關(guān)系加以推廣，就形成了多級(jí)目錄。在多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)中，除了最低一級(jí)的物理塊中裝有文件信息外，其他每一級(jí)目錄中存放的都是下一級(jí)目錄或文件的說明信息。由此形成層次關(guān)系，最高層為根目錄，最低層為文件。多級(jí)目錄構(gòu)成樹形結(jié)構(gòu)。樹形結(jié)構(gòu)多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：層次清楚，不同性質(zhì)、不同用戶的文件可以構(gòu)成不同的子樹，便于管理。不同層次、不同用戶的文件可以被賦予不同的存取權(quán)限，有利于文件的保護(hù)。解決了文件重名問題查找搜索速度快8.5.3便于共享的文件目錄從系統(tǒng)管理的觀點(diǎn)看，有三種方法可以實(shí)現(xiàn)文件共享。即：繞道法：要求每個(gè)用戶處在當(dāng)前目錄下工作，用戶對(duì)所有文件的訪問都是相對(duì)于當(dāng)前目錄進(jìn)行的。用戶文件的固有名(為了訪問某個(gè)文件而必須訪問的各個(gè)目錄和文件的目錄名與文件名的順序連接稱為固有名)是由當(dāng)前目錄到信息文件通路上所有各級(jí)目錄的目錄名加上該信息文件的符號(hào)名組成。繞道法需要用戶指定所要共享文件的邏輯位置或到達(dá)被共享文件的路徑。繞道法要繞彎路訪問多級(jí)目錄，搜索效率不高。（2）鏈接法：為了提高共享其他目錄中文件的速度，另一種共享的辦法是在相應(yīng)目錄表之間進(jìn)行鏈接。即將一個(gè)目錄中的鏈指針直接指向被共享文件所在的目錄。鏈接法仍然需要用戶指定被共享的文件和被鏈接的目錄。（3）基本文件目錄表BFD?；疚募夸洷鞡FD：把所有文件目錄的內(nèi)容分成兩部分:一部分包括文件的結(jié)構(gòu)信息、物理塊號(hào)、存取控制和管理信息等，并由系統(tǒng)賦予唯一的內(nèi)部標(biāo)識(shí)符來標(biāo)識(shí)；這部分稱為“基本文件目錄表（BFD）”。BFD中存放除了文件名之外的文件說明信息和文件的內(nèi)部標(biāo)識(shí)符。另一部分由用戶給出的符號(hào)名和系統(tǒng)賦給文件說明信息的內(nèi)部標(biāo)識(shí)符組成。這部分稱為“符號(hào)文件目錄表（SFD)”。SFD中存放文件名和文件內(nèi)部標(biāo)識(shí)符。系統(tǒng)通常預(yù)先規(guī)定：賦予基本文件目錄、空閑文件目錄、主目錄MFD的符號(hào)文件目錄固定不變的唯一標(biāo)識(shí)符，在圖中它們分別為0，1，2。用戶Wang和Zhang共享標(biāo)識(shí)符為6的文件，對(duì)于系統(tǒng)來說，標(biāo)識(shí)符6指向同一個(gè)文件；而對(duì)Wang和Zhang兩用戶來說，則對(duì)應(yīng)于不同的文件名b.c和f.c。(3)基本文件目錄表BFD圖8.19采用基本文件目錄的多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

8.5.4目錄管理打開文件——把存儲(chǔ)設(shè)備上的目錄文件復(fù)制到內(nèi)存；關(guān)閉文件——?jiǎng)h除文件的內(nèi)存副本。對(duì)于按BFD和SFD方式排列的多級(jí)文件目錄，系統(tǒng)按以下方式打開一個(gè)文件。8.5.4目錄管理（1）把主目錄MFD中的相應(yīng)表目，也就是與待打開文件相聯(lián)系的有關(guān)表目復(fù)制到內(nèi)存。例如，若準(zhǔn)備打開圖中的文件a.c，則將MFD中的第一項(xiàng)(Wang)復(fù)制到內(nèi)存。8.5.4目錄管理（2）根據(jù)(1)所復(fù)制得到的標(biāo)識(shí)符，再復(fù)制此標(biāo)識(shí)符所指明的基本文件目錄表BFD的有關(guān)表目。例如圖中id=3的表目項(xiàng)。這個(gè)表目中包括有存取控制信息、結(jié)構(gòu)信息以及下級(jí)目錄的物理塊號(hào)等。(3)根據(jù)(2)所得到的子目錄說明信息搜索SFD，以找到與待打開文件相對(duì)應(yīng)的目錄表項(xiàng)。如果找到的表目仍然是子目錄名，則系統(tǒng)將根據(jù)其對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符id，繼續(xù)上述復(fù)制過程，直到所找到的表目是待打開的文件名。例如在圖中文件名a.c。(4)根據(jù)(3)所搜索到的文件名所對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)符id，把相應(yīng)的BFD的表項(xiàng)復(fù)制到內(nèi)存。這樣，待打開文件的說明信息就巳復(fù)制到了內(nèi)存中，系統(tǒng)可得到文件的有關(guān)物理塊號(hào)，對(duì)文件進(jìn)行操作。把內(nèi)存中存放活動(dòng)文件的SFD表目的表稱為活動(dòng)名字表，這個(gè)表每個(gè)用戶一張。另外，把內(nèi)存中存放活動(dòng)文件的BFD表目的表稱為活動(dòng)文件表，這個(gè)表整個(gè)系統(tǒng)一張。

8.6文件存取控制文件系統(tǒng)的存取控制部分應(yīng)做到：(1)對(duì)于擁有讀、寫或執(zhí)行權(quán)限的用戶，應(yīng)讓其對(duì)文件進(jìn)行相應(yīng)的操作。(2)對(duì)于沒有讀、寫或執(zhí)行權(quán)限的用戶，應(yīng)禁止他們對(duì)文件進(jìn)行相應(yīng)的操作。(3)應(yīng)防止一個(gè)用戶冒充其他用戶對(duì)文件進(jìn)行存取。(4)應(yīng)防止擁有存取權(quán)限的用戶誤用文件。

存取控制驗(yàn)證模塊這些功能由存取控制驗(yàn)證模塊提供。分三步驗(yàn)證用戶的存取操作。(1)審定用戶的存取權(quán)限。(2)比較用戶權(quán)限和本次存取要求是否一致。(3)將存取要求和被訪問文件的保密性比較，看是否有沖突。可有下述４個(gè)方式來驗(yàn)證用戶的存取操作,它們是：(1)存取控制矩陣; (2)存取控制表;(3)口令;(4)密碼術(shù)。

1.存取控制矩陣存取控制矩陣方式以一個(gè)二維矩陣來進(jìn)行存取控制。二維矩陣的一維是所有的用戶，另一維是所有的文件。對(duì)應(yīng)的矩陣元素則是用戶對(duì)文件的存取控制權(quán)，包括讀Ｒ，寫Ｗ，和執(zhí)行Ｅ。圖8.20存取控制矩陣2.存取控制表存取控制表以文件為單位，把用戶按某種關(guān)系畫分為若干組，同時(shí)規(guī)定每組的存取權(quán)限。這樣，所有用戶組對(duì)文件權(quán)限的集合就形成了該文件的存取控制表。

圖8.21存取控制表

每個(gè)文件都有一張存取控制表。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，該表存放在BFD的有關(guān)表目中。文件被打開時(shí)，由于存取控制表也被復(fù)制到了內(nèi)存中，因此，存取控制驗(yàn)證能高效進(jìn)行。3.口令方式口令方式有兩種。一種是當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)，為建立終端進(jìn)程時(shí)獲得系統(tǒng)使用權(quán)的口令。另一種口令方式是，每個(gè)用戶在創(chuàng)建文件時(shí)，為每一個(gè)創(chuàng)建的文件設(shè)置一個(gè)口令，且將其置于文件說明中。4.密碼方式密碼方式在用戶創(chuàng)建源文件并將其寫入存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)對(duì)文件進(jìn)行編碼加密，在讀出文件時(shí)對(duì)其進(jìn)行譯碼解密。

文件的加密和解密都需要用戶提供一個(gè)代碼鍵(KEY)。加密程序根據(jù)這個(gè)KEY對(duì)用戶文件進(jìn)行編碼變換，然后寫入存儲(chǔ)設(shè)備。讀取文件時(shí)，只有用戶給定的代碼鍵與加密時(shí)的代碼鍵相一致時(shí)，解密程序才能對(duì)加密文件進(jìn)行解密，將其還原為源文件。圖8.22加密解密過程

8.7文件的使用文件系統(tǒng)以系統(tǒng)調(diào)用方式或命令方式為用戶提供下列4類服務(wù)。設(shè)置和修改用戶對(duì)文件的存取權(quán)限的服務(wù)。建立、改變和刪除目錄的服務(wù)。文件共享、設(shè)置訪問路徑的服務(wù)。創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉，撤銷文件的服務(wù)。這些服務(wù)的調(diào)用名和參數(shù)都因系統(tǒng)不同而異。例如在UNIX系統(tǒng)中，chmod命令可用來改變一個(gè)或多個(gè)文件或目錄的讀寫控制模式?？稍赨NIX環(huán)