操作系統(tǒng)原理-文件管理

文件管理第9章文件管理教學內(nèi)容文件系統(tǒng)的概念文件邏輯結構與存取方式文件物理結構磁盤存儲空間管理文件目錄文件與目錄的操作文件共享與保護文件系統(tǒng)實例文件讀寫性能教學重點文件邏輯結構文件物理結構文件目錄教學難點文件物理結構文件目錄9.1文件系統(tǒng)的概念9.1文件系統(tǒng)的概念教學內(nèi)容文件概念文件系統(tǒng)概念9.1.1文件概念9.1.1文件概念文件文件是計算機系統(tǒng)中信息存放的一種組織和存儲形式，文件由若干信息項有序構成。用戶通過讀寫指針來存取文件的信息項。文件具有文件名，用戶通過文件名指定唯一文件。9.1.1文件概念文件的屬性文件屬性是指文件的某種獨特性質(zhì)。有些屬性是人為定義的，有些屬性是文件自身客觀固有的。系統(tǒng)或用戶可以利用文件的屬性對文件進行分類，以便管理、存放和傳輸文件。9.1.1文件概念文件分類對文件分類是為了便于對文件進行管理。不同類別的文件可以采用不同的處理策略。按文件的用途系統(tǒng)文件庫文件用戶文件9.1.1文件概念文件分類對文件分類是為了便于對文件進行管理。不同類別的文件可以采用不同的處理策略。按文件的操作權限只讀文件只寫文件可執(zhí)行文件可讀可寫文件不保護文件9.1.1文件概念文件分類對文件分類是為了便于對文件進行管理。不同類別的文件可以采用不同的處理策略。按文件的存儲時間永久文件臨時文件9.1.1文件概念文件分類對文件分類是為了便于對文件進行管理。不同類別的文件可以采用不同的處理策略。按文件的性質(zhì)普通文件目錄文件設備文件9.1.2文件系統(tǒng)概念9.1.2文件系統(tǒng)概念文件系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能從用戶的角度看，快速查找一個指定文件，有條理地展示多個文件，清晰地管理多級目錄的層次關系，方便地打開、讀、寫、保存文件，方便地對文件采取訪問控制、權限控制等，是文件系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。從系統(tǒng)管理人員的角度看，實現(xiàn)文件在存儲設備上高效存儲，節(jié)省存儲空間、提高用戶查找效率，是文件系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能。9.2文件邏輯結構與存取方式9.2文件邏輯結構與存取方式教學內(nèi)容文件邏輯結構文件存取方式9.2.1文件邏輯結構9.2.1文件邏輯結構文件的邏輯結構文件邏輯結構是指文件數(shù)據(jù)在邏輯上的組織方法。根據(jù)邏輯結構的不同，文件可以分為兩個大類：流式文件（也稱為無結構文件）和記錄式文件（也稱為結構式文件）。9.2.1文件邏輯結構流式文件流式文件沒有結構，信息項是字節(jié)。流式文件的長度就是字節(jié)數(shù)。流式文件無須額外的說明信息或控制信息，節(jié)省存儲空間。9.2.1文件邏輯結構記錄式文件記錄式文件中需要保存記錄的長度、記錄的數(shù)量等說明信息，以便用戶讀取和分析文件內(nèi)容。把文件作為記錄序列的思想是：無論讀操作或寫操作，每次都以一個具有完整邏輯含義的記錄為單位，便于用戶理解。記錄式文件根據(jù)記錄的長度是否固定定長記錄文件非定長記錄文件9.2.1文件邏輯結構文件存取方式文件存取方式是指用戶讀寫文件信息項的方式，可以分為順序存取、隨機存取等兩種方式。順序存取按從前到后的順序依次對文件信息項進行讀/寫操作，直到定位到特定的信息項為止。隨機存取直接訪問，是直接定位到文件的特定位置對信息項進行讀/寫操作的方式。隨機存取適合流式文件或定長記錄文件。9.2.2文件存取方式9.2.2文件存取方式9.3文件物理結構9.3文件物理結構教學內(nèi)容連續(xù)文件串聯(lián)文件 索引文件9.3文件物理結構物理結構文件的物理結構是指文件在存儲設備上的存儲結構，可以分為連續(xù)文件、串聯(lián)文件、索引文件3種。9.3.1連續(xù)文件9.3.1連續(xù)文件連續(xù)文件連續(xù)文件是指文件的邏輯塊存放在連續(xù)分配的存儲塊中。連續(xù)文件要求為每個文件分配一組相鄰的存儲塊，這種分配方式可保證文件中的邏輯塊順序與存儲設備中文件占用存儲塊的順序的一致。9.3.1連續(xù)文件特點對于連續(xù)文件，其相應的文件目錄中至少需要記錄文件名、起始存儲塊的編號、文件長度等。連續(xù)文件的優(yōu)點是便于順序訪問且訪問速度快。連續(xù)文件的缺點是由于要求占用連續(xù)的存儲空間，因此創(chuàng)建文件時必須事先確定文件的長度，且容易造成存儲碎片。9.3.2串聯(lián)文件9.3.2串聯(lián)文件串聯(lián)文件串聯(lián)文件是指文件的邏輯塊存放在離散分配的存儲塊中，每個存儲塊除存儲數(shù)據(jù)之外還存儲有一個鏈接指針指向文件的下一個存儲塊。串聯(lián)文件的結構可以顯著消除存儲碎片，故可提高存儲設備的利用率。使用串聯(lián)文件在創(chuàng)建文件時無須知道文件的長度，可以根據(jù)文件的實際需要，動態(tài)為它分配必需的存儲塊。當文件動態(tài)增長時，可動態(tài)地再為它分配存儲塊。對文件的增、刪、改等操作也十分方便。9.3.2串聯(lián)文件串聯(lián)文件的缺點串聯(lián)文件僅適合于順序訪問方式，隨機訪問時效率極低。如果文件中的一個鏈接指針出現(xiàn)問題，將會導致文件后面部分無法訪問。9.3.2串聯(lián)文件文件分配表（FileAllocationTable，F(xiàn)AT）在實際應用中，串聯(lián)文件的鏈接指針有另外一種實現(xiàn)方式：串聯(lián)文件將各個存儲塊的鏈接指針集中地存放在一個文件分配表（FileAllocationTable，F(xiàn)AT）中，F(xiàn)AT體現(xiàn)了文件前后存儲塊之間的鏈接關系，分配給文件的所有存儲塊的塊號都按某種方式放在該表中。9.3.2串聯(lián)文件文件分配表（FileAllocationTable，F(xiàn)AT）FAT實質(zhì)是長度為N的一維數(shù)組，數(shù)組的每個元素與存儲空間的每一個存儲塊一一對應。FAT的元素0對應存儲塊0、FAT的元素1對應存儲塊1……FAT的元素N-1對應存儲塊N-1。FAT的元素取值是存儲塊的塊號：元素i的取值是第i個存儲塊所在文件緊接著第i個存儲塊的下一個存儲塊的塊號。如果文件沒有下一個存儲塊，即第i個存儲塊就是文件的最后一個存儲塊，則元素i的取值就是NULL或一些特殊的值。文件的第一個存儲塊的塊號在文件目錄中指定。9.3.2串聯(lián)文件文件分配表（FileAllocationTable，F(xiàn)AT）9.3.3索引文件9.3.3索引文件索引文件索引文件是指文件的邏輯塊（數(shù)據(jù)塊）存放在離散分配的存儲塊中，同時系統(tǒng)建立索引表，索引表中記錄文件的邏輯塊號（或鍵或邏輯記錄號）和存儲塊號的對應關系。文件目錄的目錄項中記錄文件名和文件對應的索引表的指針（索引表的存放地址）。用戶先通過文件名查找文件目錄，先找到對應的索引表，然后通過索引表再找到文件的全部存儲塊。9.3.3索引文件索引文件索引文件是指文件的邏輯塊（數(shù)據(jù)塊）存放在離散分配的存儲塊中，同時系統(tǒng)建立索引表，索引表中記錄文件的邏輯塊號（或鍵或邏輯記錄號）和存儲塊號的對應關系。9.3.3索引文件索引文件特點每個索引文件都是由索引表和對應的若干存儲塊構成的。索引表本身也要占據(jù)額外的存儲區(qū)域。索引文件既能順序存取，又能隨機存取，滿足了文件動態(tài)增長、插入、刪除等要求，能充分利用存儲空間。索引文件的主要問題是要花費較多的存儲空間存儲額外的索引表。9.4磁盤存儲空間管理9.4磁盤存儲空間管理磁盤存儲空間管理系統(tǒng)實時管理和記錄磁盤空間使用情況。系統(tǒng)管理磁盤的空閑存儲塊的主要方法：空閑文件目錄、空閑塊鏈、位示圖等3種方法。9.4磁盤存儲空間管理空閑文件目錄存儲設備上一片連續(xù)的空閑區(qū)可以看成一個特殊文件，即空閑文件。存儲設備上所有的空閑文件就代表了存儲設備上的全部空閑空間。為空閑文件建立的專門目錄稱為空閑文件目錄。在空閑文件目錄中，每一目錄表項就對應一個空閑文件，記錄有空閑文件的第一個存儲塊號，存儲塊個數(shù)等重要信息。9.4磁盤存儲空間管理空閑塊鏈把存儲設備上的所有空閑塊用鏈表鏈接在一起。當申請者需要空閑塊時，分配程序從鏈頭開始摘取所需要的空閑塊，然后調(diào)整鏈首指針。反之，當回收存儲塊時，把釋放的空閑塊逐個加在鏈尾上。9.4磁盤存儲空間管理位示圖系統(tǒng)在內(nèi)存中劃出若干個字節(jié)，字節(jié)的每一位（bit）對應一個存儲塊的使用情況，即空閑或被占用的狀態(tài)。如果某一位為1，則表示對應的存儲塊是空閑塊；如果為0，則表示對應的存儲塊已被分配出去了。9.5文件目錄9.5文件目錄教學內(nèi)容文件目錄功能文件目錄項索引節(jié)點目錄結構9.5.1文件目錄功能9.5.1文件目錄功能文件目錄功能文件目錄的核心功能是實現(xiàn)“按名存取”，即用戶只需向系統(tǒng)提供所需訪問文件的名字，便能快速、準確地找到指定文件在外存上的存儲位置。文件目錄提供了按名查找文件的功能，記錄了文件名和文件存放地址的對應關系。9.5.2文件目錄項9.5.2文件目錄項文件目錄項（directoryentry）文件目錄項作為文件目錄的構成項，是描述該目錄下所含文件的基本信息、使用信息和存取控制信息的數(shù)據(jù)結構。文件目錄項與目錄下所含的文件一一對應，文件目錄項的有序集合稱為文件目錄。文件目錄也可看作一個特殊文件，稱為目錄文件。9.5.2文件目錄項（常規(guī)的）文件目錄項主要包含信息（1）基本信息文件名、文件物理位置、文件邏輯結構、文件物理結構等（2）使用信息文件建立時間、文件修改時間等。（3）存取控制信息各類用戶的文件存取權限等。MS-DOS的文件目錄項結構9.5.2文件目錄項采用索引節(jié)點的文件目錄項文件目錄項僅由文件名和該文件所對應的索引節(jié)點編號所構成。在檢索目錄文件時，當匹配到文件目錄項后，可以根據(jù)目錄項中的索引節(jié)點編號訪問該索引節(jié)點，進而可以獲取索引節(jié)點中相應文件的描述信息。9.5.2文件目錄項采用索引節(jié)點的文件目錄項Linux0.11目錄項定義9.5.3索引節(jié)點

9.5.3索引節(jié)點索引節(jié)點為了減小檢索目錄項的開銷，將文件描述信息從目錄項中抽出，采用索引節(jié)點的數(shù)據(jù)結構專門存儲文件的各種描述信息。UNIX操作系統(tǒng)的目錄項就是采用這種方式。9.5.3索引節(jié)點索引節(jié)點在磁盤中的數(shù)據(jù)結構（1）文件主標識符（2）文件類型（3）文件存取權限（4）文件物理地址（5）文件長度，指以字節(jié)為單位的文件長度；（6）文件鏈接計數(shù)（7）文件存取時間9.5.3索引節(jié)點磁盤中索引節(jié)點的組織硬盤被分區(qū)格式化后包括兩部分：索引節(jié)點區(qū)（inodetable）和數(shù)據(jù)區(qū)（blocktable）。索引節(jié)點區(qū)用來存儲文件屬性，數(shù)據(jù)區(qū)用來存儲文件實際數(shù)據(jù)。磁盤建立好文件系統(tǒng)后，會生成固定大小的索引節(jié)點區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。ext3/ext4文件系統(tǒng)中一個文件被創(chuàng)建后至少要占用一個索引節(jié)點和一個數(shù)據(jù)塊。9.5.3索引節(jié)點內(nèi)存中索引節(jié)點的組織較磁盤索引節(jié)點增加：（1）索引節(jié)點編號，用于標識內(nèi)存索引節(jié)點；（2）狀態(tài)，指示索引節(jié)點是否上鎖或被修改；（3）訪問計數(shù)，進程訪問此節(jié)點加1，訪問完再減1；（4）文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設備；（5）鏈接指針，分別指向空閑鏈表和散列隊列的指針。9.5.3索引節(jié)點索引節(jié)點編號當文件被打開時，磁盤索引節(jié)點會被讀取到內(nèi)存中的索引節(jié)點表中，索引節(jié)點表的表項就是內(nèi)存索引節(jié)點，使用索引節(jié)點編號來唯一標識。采用索引節(jié)點的操作系統(tǒng)（例如UNIX、Linux系統(tǒng)）內(nèi)部通常不使用文件名，而使用索引節(jié)點編號來標識文件。對于操作系統(tǒng)來說，文件名只會用于檢索目錄并獲取索引節(jié)點編號。9.5.4目錄結構9.5.4目錄結構單級目錄結構單級目錄結構是最簡單的目錄結構。在整個文件系統(tǒng)中只建立一個目錄表，每個文件占一個目錄項。9.5.4目錄結構單級目錄的優(yōu)點簡單單級目錄的缺點（1）查找速度慢。（2）不允許重名。（3）不便于實現(xiàn)文件共享。9.5.4目錄結構兩級目錄結構每個用戶建立一個單獨的用戶文件目錄，此外，在系統(tǒng)中建立一個主文件目錄。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。兩級目錄結構基本克服了單級目錄的缺點，并具有以下優(yōu)點：提高了檢索目錄的速度；在不同的用戶目錄中可以使用相同的文件名；不同用戶還可以使用不同的文件名訪問系統(tǒng)中的同一個共享文件。9.5.4目錄結構兩級目錄結構每個用戶建立一個單獨的用戶文件目錄，此外，在系統(tǒng)中建立一個主文件目錄。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。9.5.4目錄結構多級目錄結構多級目錄結構也稱為樹形結構。在多級目錄結構中，每一個磁盤有一個根目錄，在根目錄中可以包含若干子目錄和文件，在子目錄中不但可以包含文件，而且還可以包含更低一級的子目錄。9.6文件與目錄的操作9.6文件與目錄的操作教學內(nèi)容文件操作目錄操作9.6.1文件操作9.6.1文件操作文件有關的常用操作創(chuàng)建（Create）刪除（Delete）打開（Open）關閉（Close）讀（Read）寫（Write）追加（Append）定位（Seek）獲取屬性（Getattributes）修改屬性（Setattributes）重命名（Rename）移動（Move）9.6.2目錄操作9.6.2目錄操作目錄有關的常用操作Create，創(chuàng)建新的目錄。Delete，刪除目錄。Rename，文件可以更名，目錄也可以更名。Link，為文件建立硬鏈接（hardlink）。Unlink，刪除文件鏈接。9.7文件共享與保護9.7文件共享與保護教學內(nèi)容文件靜態(tài)共享文件動態(tài)共享文件保護9.7文件共享與保護文件共享文件共享使多個用戶或進程共享同一份文件，系統(tǒng)中只需保留該文件的一份副本。9.7.1文件靜態(tài)共享9.7.1文件靜態(tài)共享文件靜態(tài)共享方式硬鏈接軟鏈接硬鏈接硬鏈接是一個文件的多個不同的入口路徑。每個入口路徑就是一個文件名。9.7.1文件靜態(tài)共享軟鏈接軟鏈接（softlink）是指在共享文件時由操作系統(tǒng)創(chuàng)建一個LINK類型的新文件，在新文件中只包含被共享文件的路徑名，以鏈接LINK類型文件與原文件。這樣鏈接方法也被稱為符號鏈接（symboliclink）。9.7.2文件動態(tài)共享9.7.2文件動態(tài)共享文件動態(tài)共享文件動態(tài)共享是指操作系統(tǒng)允許多個進程同時訪問同一文件，而不用為每個進程復制一份文件副本.進程的文件描述符唯一確定打開文件的數(shù)據(jù)結構，其中包含文件的索引節(jié)點指針（可以指向同一共享文件）以及文件偏移指針（各進程獨立控制），這樣就可實現(xiàn)多個進程對同一文件的共享訪問。9.7.3文件保護9.7.3文件保護文件保護為了防止文件共享可能會導致文件被破壞或未經(jīng)核準的文件操作，操作系統(tǒng)會控制用戶對文件的存取，即解決對文件的讀、寫、執(zhí)行的許可問題，在文件系統(tǒng)中建立相應的文件保護機制。9.7.3文件保護訪問類型讀：從文件中讀。寫：向文件中寫。執(zhí)行：將文件裝入內(nèi)存并執(zhí)行。添加：將新信息添加到文件結尾部分。刪除：刪除文件，釋放空間。列表清單：列出文件名和文件屬性。訪問控制最常用的方法是根據(jù)用戶身份進行控制。通常為每個文件和目錄增加一個訪問控制列表(AccessControlList，ACL），以規(guī)定每個用戶所允許的訪問類型。9.8文件系統(tǒng)實例9.8文件系統(tǒng)實例教學內(nèi)容Windows文件系統(tǒng) Linux文件系統(tǒng)空間組織Linux文件系統(tǒng)文件實現(xiàn)Linux虛擬文件系統(tǒng)9.8.1Windows文件系統(tǒng)9.8.1Windows文件系統(tǒng)Windows支持的文件系統(tǒng)NTFS文件系統(tǒng)（NTFileSystem）FAT文件系統(tǒng)FAT文件分配表文件分配表是文件管理系統(tǒng)用來記錄文件所分配的全部存儲塊信息的表格，即記錄文件存放在磁盤的哪些存儲塊中。9.8.1Windows文件系統(tǒng)例子一個起始簇號為5的文件在FAT中被記錄的例子，該文件依次占用了5號、8號、7號、10號等4個簇。9.8.2Linux文件系統(tǒng)空間組織9.8.2Linux文件系統(tǒng)空間組織extLinuxextendedFileSystem，即Linux擴展文件系統(tǒng)。ext2就代表第二代擴展文件系統(tǒng)ext3、ext4以此類推ext2被稱為索引式文件系統(tǒng)ext3、ext4則被稱為日志式文件系統(tǒng)。9.8.2Linux文件系統(tǒng)空間組織ext2文件系統(tǒng)由索引節(jié)點inode進行標識。一個文件可能對應多個文件名，只有在所有文件名都被刪除后，該文件才會被刪除。ext2采用三級間接塊來存儲數(shù)據(jù)塊指針磁盤分配策略是盡可能將邏輯相鄰的文件分配到磁盤上物理相鄰的塊中，并盡可能將碎片分配給盡量少的文件，以從全局上提高性能。ext2將同一目錄下的文件盡可能地放在同一個塊組中，但目錄則分布在各個塊組中以實現(xiàn)負載均衡。9.8.2Linux文件系統(tǒng)空間組織存儲設備的空間組織ext2數(shù)據(jù)管理以數(shù)據(jù)塊block為基本單位數(shù)據(jù)塊(Block)、塊組(blockgroup)、

塊組描述符(groupdescriptor）9.8.2Linux文件系統(tǒng)空間組織塊組(blockgroup)的結構數(shù)據(jù)結構說明塊數(shù)使用結構Superblock超級塊1ext2_super_blockGDT組描述符表Next2_group_descDatablockbitmap數(shù)據(jù)塊位圖1

Inodebitmap節(jié)點位圖1

Inodetable節(jié)點表Mext2_inodeDatablocks數(shù)據(jù)塊P

9.8.2Linux文件系統(tǒng)空間組織ext2超級塊super_block的結構超級塊結構主要描述整個文件系統(tǒng)的信息，如文件系統(tǒng)中塊組的數(shù)量、inode數(shù)量、磁盤塊的數(shù)量等。9.8.3Linux文件系統(tǒng)文件實現(xiàn)9.8.3Linux文件系統(tǒng)文件實現(xiàn)索引節(jié)點inode從ext2開始，文件屬性和文件內(nèi)容分開存儲，分別由索引節(jié)點inode和數(shù)據(jù)塊block來負責。inode存儲了文件類型、權限、文件所有者、大小、時間戳、指向屬于該文件block的指針，這樣讀取inode就可以找到屬于該文件的block，進而讀取這些block獲得該文件的數(shù)據(jù)。9.8.3Linux文件系統(tǒng)文件實現(xiàn)索引節(jié)點inode9.8.3Linux文件系統(tǒng)文件實現(xiàn)目錄實現(xiàn)目錄本身以文件形式存在，同時目錄文件也是一個表，這個文件中也包含很多條目，每個條目是一個文件目錄項。創(chuàng)建目錄時分配一個inode和至少一個數(shù)據(jù)塊。inode記錄該目錄的屬性，并指向數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊記錄該目錄下所有文件（包括目錄）的文件目錄項。9.8.4Linux虛擬文件系統(tǒng)9.8.4Linux虛擬文件系統(tǒng)虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem，VFS）VFS是覆蓋在邏輯文件系統(tǒng)之上面向操作系統(tǒng)的一個接口層，它對每個邏輯文件系統(tǒng)的實現(xiàn)細節(jié)進行抽象，使得不同的文件系統(tǒng)在Linux核心以及其他進程看來，都是相同的。9.8.4Linux虛擬文件系統(tǒng)虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem，VFS）9.8.4Linux虛擬文件系統(tǒng)VFS重要的數(shù)據(jù)結構super_blockfile_system_typeFileInodesuper_operationsfile_operationsinode_operations9.8.4Linux虛擬文件系統(tǒng)super_blocksuper_block是超級塊，描述一個邏輯文件系統(tǒng)，這個文件系統(tǒng)所含的inode都會連接到這個超級塊上。file_system_typefile_system_type用于描述不同的文件系統(tǒng)類型，如minix、ext2、msdos、proc等，內(nèi)核將所有的文件系統(tǒng)類型構建成一個全局數(shù)組file_systems[]。super_operationssuper_operations主要完成將VFS對超級塊的各種操作轉