張惠娟副教授Mszhj@163com知識講解

張惠娟副教授Ms.zhj@163.com實用操作系統(tǒng)概念1內(nèi)容框架

概述體系結(jié)構(gòu)進(jìn)程管理內(nèi)存管理

文件管理外設(shè)管理2內(nèi)容

Chp13:MassstorageStructure

Chp11:Filesystem3Module11:File-System

FileConceptDirectoryStructureFree-SpaceManagementFileImplementationEfficiencyandPerformanceProtectionRecovery4引言計算機(jī)應(yīng)用程序都要：存儲信息和檢索信息

能夠存儲大量的信息長期保存信息可以共享信息FileConcept6解決方法文件信息以一種單元，即文件的形式存儲在磁盤或其他外部介質(zhì)上。文件是通過操作系統(tǒng)來管理的，包括：文件的結(jié)構(gòu)、命名、存取、使用、保護(hù)、實現(xiàn)方法。FileConcept7文件系統(tǒng)

負(fù)責(zé)信息組織、存儲和訪問，提供高效、快速和方便的信息存儲和訪問功能。FileConcept8用戶觀點文件系統(tǒng)如何呈現(xiàn)在其面前，如：一個文件由什么組成、如何命名，如何保護(hù)文件、可進(jìn)行何種操作等。操作系統(tǒng)觀點文件目錄怎樣實現(xiàn)、怎樣管理存儲空間、文件存儲位置、磁盤實際運作方式(與設(shè)備管理的接口)等等FileConcept9文件定義是一組帶標(biāo)識的、在邏輯上有完整意義的信息項的序列。

其中：

標(biāo)識是文件名信息項是構(gòu)成文件內(nèi)容的基本單位長度是單個字節(jié)或多個字節(jié)文件內(nèi)容由文件建立者和使用者解釋FileConcept10文件的各信息項之間具有順序關(guān)系FileConcept編號：01……i……n-1信息項信息項信息項……...信息項……...讀寫指針11文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中統(tǒng)一管理信息資源的一種軟件。管理文件的存儲、檢索、更新，提供安全可靠的共享和保護(hù)手段，并且方便用戶使用。FileConcept12文件系統(tǒng)的功能統(tǒng)一管理文件的存儲空間，實施存儲空間的分配與回收。實現(xiàn)文件的按名存取

名字空間映射

存儲空間實現(xiàn)文件信息的共享，并提供文件保護(hù)和保密措施FileConcept13向用戶提供方便使用的接口

如提供對文件系統(tǒng)操作命令、提供對文件的操作命令：信息存取、加工等系統(tǒng)維護(hù)及向用戶提供有關(guān)信息文件系統(tǒng)的執(zhí)行效率提供與I/O的統(tǒng)一接口FileConcept14FileAttributes

Informationaboutfilesarekeptinthedirectorystructure,whichismaintainedonthedisk.Name–onlyinformationkeptinhuman-readableform.Type–neededforsystemsthatsupportdifferenttypes.Location–pointertofilelocationondevice.FileConcept15Size–currentfilesize.Protection–controlswhocandoreading,writing,executing.Time,date,anduseridentification–dataforprotection,security,andusagemonitoring.FileConcept16FileOperationscreatewritereadrepositionwithinfile–fileseekdeletetruncateFileConcept17open(Fi)–searchthedirectorystructureondiskforentryFi,andmovethecontentofentrytomemory.close(Fi)–movethecontentofentryFiinmemorytodirectorystructureondisk.FileConcept18Filetype分類目的對不同文件進(jìn)行管理,提高系統(tǒng)效率；提高用戶界面友好性按信息保存期限分類

臨時文件；永久文件；檔案文件按文件保護(hù)方式分類

只讀文件；讀寫文件；可執(zhí)行文件FileConcept19按文件性質(zhì)和用途分類系統(tǒng)文件用戶文件庫文件

FileConcept20按文件的邏輯結(jié)構(gòu)分類

流式文件；記錄式文件按文件的物理結(jié)構(gòu)分類

順序（連續(xù)）文件；鏈接文件；索引文件FileConcept21FileConcept22

FileStructure

邏輯結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)FileConcept23邏輯結(jié)構(gòu)是從用戶角度研究文件的組織形式無結(jié)構(gòu)文件有結(jié)構(gòu)文件FileConcept24一條記錄一個字節(jié)字節(jié)序列記錄序列樹FileConcept25無結(jié)構(gòu)文件：流式文件

構(gòu)成文件的基本單位是字符，文件是有邏輯意義的、無結(jié)構(gòu)的一串字符的集合。文件

一個無結(jié)構(gòu)字節(jié)序列好處

提供很大的靈活性FileConcept26有結(jié)構(gòu)文件：記錄文件

文件是由若干個記錄組成，每個記錄有一個鍵，可按鍵進(jìn)行查找。文件一個固定長度記錄的序列，每條記錄有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)FileConcept27物理結(jié)構(gòu)

從系統(tǒng)角度來看文件，從文件在物理介質(zhì)上的存放方式來研究文件.連續(xù)（順序）結(jié)構(gòu)鏈接結(jié)構(gòu)索引結(jié)構(gòu)

FileConcept28連續(xù)結(jié)構(gòu)（順序）文件信息存放在若干連續(xù)的物理塊中FileConcept29012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址塊數(shù)count02tr143mail196list284f62文件目錄countftrmaillistFileConcept30優(yōu)點簡單支持順序存取和隨機(jī)存取順序存取速度快所需的磁盤尋道次數(shù)和尋道時間最少FileConcept31缺點

文件不能動態(tài)增長預(yù)留空間:浪費重新分配和移動不利于文件插入和刪除外部碎片問題存儲壓縮技術(shù)FileConcept32鏈接結(jié)構(gòu)文件信息存放在若干不連續(xù)的物理塊中，各塊之間通過指針連接，前一個物理塊指向下一個物理塊。

FileConcept33文件目錄文件名始址末址jeep92501234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125FileConcept34優(yōu)點提高了磁盤空間利用率,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(kuò)充FileConcept35缺點存取速度慢，不適于隨機(jī)存取可靠性問題，如指針出錯更多的尋道次數(shù)和尋道時間鏈接指針占用一定的空間FileConcept36索引結(jié)構(gòu)文件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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)--索引表，并將這些塊的塊號存放在一個索引表中一個索引表就是磁盤塊地址數(shù)組,其中第i個條目指向文件的第i塊FileConcept37012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目錄Jeep1991611025-1-1-11938優(yōu)點保持了鏈接結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,又解決了其缺點：即能順序存取,又能隨機(jī)存取滿足了文件動態(tài)增長、插入刪除要求能充分利用外存空間FileConcept39缺點較多的尋道次數(shù)和尋道時間索引表本身帶來了系統(tǒng)開銷如：內(nèi)外存空間，存取時間FileConcept40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

UNIX文件系統(tǒng)采用多級索引結(jié)構(gòu)(綜合模式)。FileConcept41綜合模式每個文件索引表為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）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采用了三級索引結(jié)構(gòu)后，文件最大可達(dá)16兆個物理塊FileConcept4243AccessMethods

順序存取方式隨機(jī)(直接)存取方式FileConcept44存儲介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)存取方式磁帶連續(xù)結(jié)構(gòu)順序存取磁盤連續(xù)鏈接索引順序順序順序隨機(jī)

隨機(jī)FileConcept45基本概念目錄結(jié)構(gòu)文件訪問方法目錄結(jié)構(gòu)改進(jìn)DirectoryStructure46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(shè)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(guān)信息（文件屬性）文件控制塊是文件存在的標(biāo)志DirectoryStructure47文件控制塊內(nèi)容

NameTypeAddressCurrentlengthMaximumlengthDatelastaccessed(forarchival)Datelastupdated(fordump)OwnerID(whopays)Protectioninformation(discusslater)DirectoryStructure48文件目錄把所有FCB組織在一起，就構(gòu)成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合目錄項構(gòu)成文件目錄的項目（目錄項就是FCB）目錄文件為實現(xiàn)對文件目錄的管理，通常將文件目錄以文件形式保存在外存，這個文件就叫目錄文件。DirectoryStructure49目錄結(jié)構(gòu)目的一級目錄二級目錄樹型目錄（多級目錄）其它方法DirectoryStructure50目的Efficiency–locatingafilequickly.Naming–convenienttousers.Twouserscanhavesamenamefordifferentfiles.Thesamefilecanhaveseveraldifferentnames.Grouping–logicalgroupingoffilesbyproperties,(e.g.,allPascalprograms,allgames,…)DirectoryStructure51一級目錄結(jié)構(gòu)

Asingledirectoryforallusers.DirectoryStructure52優(yōu)點

簡單、易實現(xiàn)缺點

NamingproblemGroupingproblem

DirectoryStructure53二級目錄結(jié)構(gòu)

Separatedirectoryforeachuser.

DirectoryStructure54優(yōu)點PathnameCanhavethesaemfilenamefordifferentuserEfficientsearchingNogroupingcapability

缺點

增加系統(tǒng)開銷DirectoryStructure55樹型目錄結(jié)構(gòu)DirectoryStructure56優(yōu)點層次結(jié)構(gòu)清晰，便于管理和保護(hù)有利于文件分類解決重名問題提高文件檢索速度能進(jìn)行存取權(quán)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DirectoryStructure57其它方法哈希表算法目錄項信息存在一哈希表中搜索時根據(jù)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DirectoryStructure58文件訪問方法目錄檢索

用戶給出文件名，按名尋找目錄項根據(jù)路徑名檢索：全路徑名：從根開始相對路徑：從當(dāng)前目錄開始DirectoryStructure59文件尋址

根據(jù)FCB中文件物理地址等信息，求出文件的任意記錄或字符在存取介質(zhì)上的地址，稱為文件尋址。DirectoryStructure60

目錄改進(jìn)改進(jìn)目的加快目錄檢索DirectoryStructure61改進(jìn)方法采用目錄項分解法，把FCB分成兩部分。符號目錄頂（次部）文件名，文件號基本目錄項（主部）除文件名外的所有項目

如：UNIX：I節(jié)點（索引節(jié)點）DirectoryStructure6263

例：一個FCB有48個字節(jié)，符號目錄項占8字節(jié)，文件名6字節(jié)，文件號2字節(jié)，基本目錄項占48-6=42字節(jié)。假設(shè)，物理塊大小512字節(jié)DirectoryStructure64

解：分解前：占512/48=10個FCB

分解后：占512/8=64個符號目錄項或512/42=12個基本目錄項假設(shè)：目錄文件有128個目錄項分解前：占13塊分解后：符號文件占2塊基本文件占11塊DirectoryStructure65

查找一個文件的平均訪盤次數(shù)分解前：(1+13)/2=7次分解后：(1+2)/2+1=2.5次

減少了訪問硬盤的次數(shù)，提高了檢索速度DirectoryStructure66數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管理方法Free-SpaceManagement67數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空閑塊表

所有空閑塊記錄在一個表中空閑塊鏈表

把所有空閑塊鏈成一個鏈

Free-SpaceManagement68管理方法位圖法成組鏈接法

Free-SpaceManagement69位示圖

用一串二進(jìn)制位反映磁盤空間中的分配使用

情況,每個物理塊對應(yīng)一位,分配物理塊為1，否則為0。申請物理塊時，在位示圖中查找為0的位，返回對應(yīng)物理塊號；歸還時，將對應(yīng)位轉(zhuǎn)置0描述能力強(qiáng)，適合各種物理結(jié)構(gòu)Free-SpaceManagement70

計算公式

已知字號i，位號j

塊號＝i×字長＋j

已知塊號字號＝[塊號/字長]位號＝塊號mod字長

Free-SpaceManagement71已知塊號，則磁盤地址：

柱面號＝[塊號/（磁頭數(shù)×扇區(qū)數(shù)）]

磁頭號＝[（塊號mod（磁頭數(shù)×扇區(qū)數(shù)））/扇區(qū)數(shù)]

扇區(qū)號＝（塊號mod（磁頭數(shù)×扇區(qū)數(shù)））mod扇區(qū)數(shù)已知磁盤地址：塊號＝柱面號×（磁頭數(shù)×扇區(qū)數(shù)）＋磁頭號×扇區(qū)數(shù)＋扇區(qū)號Free-SpaceManagement72成組鏈接法Free-SpaceManagement7374S.free100300299。。。201空閑盤塊棧0199100400399…301100500499…401…75ProtectionFileowner/creatorshouldbeabletocontrol:whatcanbedonebywhomTypesofaccessReadWriteExecuteAppendDeleteList76FileImplementation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)文件執(zhí)行77

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)文件表用戶文件表兩種表間的關(guān)系FileImplementation78

系統(tǒng)文件表系統(tǒng)打開文件表（整個系統(tǒng)一張）放在內(nèi)存，用于保存已打開文件的FCB文件號、共享計數(shù)、修改標(biāo)志FileImplementation79用戶文件表

每個進(jìn)程一個，進(jìn)程的PCB中，記錄了用戶打開文件表的位置。FileImplementation80FileImplementation兩種表間的關(guān)系用戶打開文件表指向系統(tǒng)打開文件表多個進(jìn)程共享同一個文件，則多個用戶打開文件表目對應(yīng)系統(tǒng)打開文件表的同一入口8182文件執(zhí)行文件操作執(zhí)行過程文件共享FileImplementation83文件操作提供設(shè)置和修改對用戶文件存取權(quán)限的服務(wù)提供建立、修改、改變、刪除目錄的服務(wù)提供文件共享、設(shè)置訪問路徑的服務(wù)提供創(chuàng)建、打開、讀、寫、關(guān)閉、撤消文件等服務(wù)文件系統(tǒng)維護(hù)文件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)FileImplementation84

文件執(zhí)行Create()Open()Read()……FileImplementation85Create()實質(zhì)是建立文件的FCB，并建立必要的存儲空間，分配空FCB，根據(jù)提供的參數(shù)及需要填寫有關(guān)內(nèi)容，返回一個文件描述.FileImplementation86執(zhí)行過程：檢查參數(shù)的合法性檢查同一目錄下有無重名文件在目錄中有無空閑位置填寫目錄項內(nèi)容返回FileImplementation87Open()文件使用前都要先打開，即把FCB送到內(nèi)存。

fd=open（文件路徑名，打開方式）FileImplementation88執(zhí)行過程：根據(jù)文件路徑名查目錄，找到FCB主部；根據(jù)打開方式、共享說明和用戶身份檢查訪問合法性；根據(jù)文件號查系統(tǒng)打開文件表，看文件是否已被打開；是→共享計數(shù)加1，否則→將外存中的FCB主部等信息填入系統(tǒng)打開文件表空表項，共享計數(shù)置為1；FileImplementation89在用戶打開文件表中取一空表項，填寫打開方式等，并指向系統(tǒng)打開文件表對應(yīng)表項。返回信息

fd：文件描述符，是一個非負(fù)整數(shù)，用于以后讀寫文件。FileImplementation90Read()檢查長度是否為正整數(shù)根據(jù)文件名查找目錄，確定該文件在目錄中的位置。根據(jù)隱含參數(shù)中的進(jìn)程主和目錄中該文件的存儲權(quán)限數(shù)據(jù)，檢查是否有權(quán)讀？由文件內(nèi)位置與要讀的長度計算最末位置，將其與目錄中的文件長度比較，超過否？FileImplementation91根據(jù)參數(shù)中的位置、長度和目錄中的映射信息，確定塊號、塊數(shù)、塊內(nèi)位移與長度。（多次讀盤）根據(jù)下一塊號讀塊至內(nèi)存緩沖區(qū)根據(jù)塊內(nèi)位移長度取出要讀的內(nèi)容，送至參數(shù)中的內(nèi)存目的地址根據(jù)塊內(nèi)長度或起始塊號+塊數(shù)，確定還讀下一塊嗎？同時確定下一塊塊號FileImplementation92文件共享定義

一個文件被多個用戶或程序使用目的

節(jié)省時間和存儲空間，減少了用戶工作量進(jìn)程間通過文件交換信息FileImplementation93實現(xiàn)方法由系統(tǒng)目錄實現(xiàn)對文件的共享對要共享的文件進(jìn)行連接通過“連接（Link）”命令，在用戶自己的目錄項中對要共享的文件建立起相應(yīng)的表目，即建立兩個文件的等價關(guān)系FileImplementation9495EfficiencyandPerformanceEfficiencydependenton:diskallocationanddirectorya