文件管理

文件管理

1.初始文件管理

1.相关问题

1.文件内部的数据应该怎样组织？

2.文件之间的数据应该怎样组织？

3.从下往上看，OS应该提供哪些功能，才能方便用户、应用程序使用文件？

4.从上往下看，文件数据应该怎么存放在外存（磁盘）上？

2.文件的属性

1.文件名：由创建文件的用户决定文件名，主要四为了方便用户找到文件，同一目录下允许有重名文件。

2.标识符：一个系统内的各文件标识符唯一，对用户来说毫无可读性，因此标识符只是操作系统用于区分各个文件的一种内部名称。

3.类型：指明文件的类型

4.大小：指明文件大小

5.创建时间、上次修改时间

6.文件所有者信息

7.保护信息：对文件进行保护的访问控制信息

3.文件内部的数据组织形式

1.无结构文件：（文本文件）由一系列二进制或字符流组成

2.有结构文件：（数据库表）由一组相似的记录组成，又称“记录式”文件；

1）记录是一组相关数据项的集合；

2）数据项是文件系统中最基本的数据单位

4.文件之间组织形式

5.操作系统应该向上提供哪些功能

1.创建文件（cteate系统调用）

2.删除文件（delete系统调用）

3.读文件（read系统调用）

4.写文件（write系统调用）

5.打开文件（open系统调用）

6.关闭文件（close系统调用）

在读写文件之前，需要“打开文件”

读写文件之后，需要关闭文件

6.从上往下看，文件应该如何存放在外存

1、与内存一样，外存也是由一个个存储单元组成的，每个存储单元可以存储一定量的数据（如1B）。每个存储单元对应一个物理地址

2、类似于内存分为一个个“内存块”，外存会分为一个个“块/磁盘块/物理块"。每个磁盘块的大小是相等的，每块一般包含2的整数幂个地址。同样类似的是，文件的逻辑地址也可以分为（逻辑块号，块内地址），操作系统同样需要将逻辑地址转换为外存的物理地址（物理块号，块内地址）的形式。块内地址的位数取决于磁盘块的大小。

3、操作系统以”块“为单位为文件分配存储空间，因此及时一个文件大小只有10B，但它依然需要占用1KB的磁盘块。外存中的数据读入内存时同样以块为单位。

7.操作系统需要实现的文件管理功能

1.文件共享

2.文件保护

2.文件的逻辑结构

”逻辑结构“，就是指在用户看来，文件内部的数据应该是如何组织起来的。

”物理结构“指的是在操作系统看来，文件的数据是如何存放在外存中的。

1.无结构文件

文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称”流式文件“

2.有结构文件逻辑结构

由一组相似的记录组成，又称”记录式文件"。每条记录又有如干戈数据项组成。如：数据库表文件。一般来说，每条记录有一个数据项可作为关键字。根据各条记录的长度（占用的存储空间）是否相等，又可分为定长记录和可变长记录两种。

1.顺序文件

2.索引文件

3.索引顺序文件

3.顺序文件

文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以使定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。

顺序存储：逻辑上相邻的记录物理上也相邻（类似于顺序表）

链式存储：逻辑上相邻的记录物理上不一定相邻（类似于链表）

串结构：记录之间的顺序与关键字无关；通常按照记录存入的时间决定记录的顺序

顺序结构：记录之间的顺序按关键字顺序排列

顺序文件的缺点是：增加/删除一个记录比较困难（如果是串结构则相对简单）

4.索引文件

5.索引顺序文件

3.文件目录

目录本身是一种有结构文件，由一条条记录组成。每条记录对应一个在该目录下的文件

1.文件控制块

1、目录文件中的一条记录就是一个”文件控制块“FCB

2、FCB的有序集合称为”文件目录“，一个FCB就是一个文件目录项。

3、FCB中包好了文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）

4、FCB实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现”按名存取”

5、需要对目录进行哪些操作？

1）搜索：当用户要使用一个文件时，系统要根据文件名搜索目录，找到该文件对应的目录项

2）创建文件：创建一个新文件时，需要在其所属的目录中增加一个目录项

3）删除文件：当删除一个文件时，需要在目录中删除对应的目录项

4）显示目录：用户可以请求显示目录的内容，如果显示该目录中的所有文件及相应属性

5）修改目录：某些文件属性保存在目录中，因此这些属性变化时需要修改相应的目录项（如：文件重命名）

2.目录结构

1.单机目录结构

早期的操作系统并不支持多级目录，整个系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。

单级目录实现了“按名存取”，但是不允许文件重名

在创建一个文件时，需要先检查目录表中有没有重名文件，确定不重名后才能允许建立文件，并将新文件对应的目录项插入目录表中。

单级目录结构不适用于多用户操作系统

2.两级目录结构

早期的多用户操作系统，采用两级目录结构。分为主文件目录MFD和用户文件目录UFD

3.多级目录结构

又称树型目录结构

用户（或进程）要访问某个文件时要用文件路径名称标识文件，文件路径名是个字符串。各级目录之间用"/"隔开。从根目录出发的路径称为绝对路径。

系统根据绝对路径一层一层地找到下一级目录。

如果每次从根目录查找文件的话，效率会很低，也要进行多次I/O操作，所以提出了相对目录，当用户想要访问某个文件时，可以使用从当前目录出发的相对路径

优缺点：树型目录结构可以很方便的对文件进行分类，层次结构清晰，也能够更有效地进行文件的管理和保护。但是，树型结构不便于实现文件的共享。为此，提出了“无环图目录结构”

4.无环图目录结构

注意：只有共享计数器为0才能删除文件

3.索引节点（FCB的改进）

4.文件的物理结构

操作系统需要对磁盘块进行管理：对非空闲磁盘块的管理（存放了文件数据的磁盘块）；对空闲磁盘块的管理

本节讨论对非空闲磁盘块的管理方式

1.文件块、磁盘块

2.连续分配

要求：每个文件在磁盘上占有一组连续的块

优点：

1.支持直接访问和随机访问

2.连续分配的文件在顺序读/写时速度最快（移动磁头的时间越短）

缺点：

1.物理上采用连续分配的文件不方便拓展

2.物理上采用连续分配存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片（可以用紧凑技术来处理碎片，但是要耗费很大的时间代价）

3.链接分配

链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显示链接两种。

1.隐式链接

因为是离散分配的，所以要拓展文件很方便。也不会产生磁盘碎片

2.显示链接

文件逻辑块号到物理地址的转换

注意：整个磁盘只有一张FAT表，每个文件目录的目录项中都存放起始块号，类似于头结点，以此找到存放文件数据的所有块

3.总结

4.索引分配

1.概念

索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块；索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

目录中需要记录文件的索引块是几号磁盘块

注意：索引分配是为每一个文件创建一张索引表，而在显示链接的链式分配方式中，文件分配表FAT是一个磁盘对应一张。

2.实现逻辑块号到物理块号的转变

1）先找到索引表

2）通过索引表，就可以找打所有存放数据的物理块

4.链接方案

5.多层索引

类似于多级页表

存在问题：对小文件不友好，小文件虽然只有一个物理块，但是访问小文件还是要进行多次I/O操作

6.混合索引

7.总结

5.总结

5.文件的物理结构

本节讨论对空闲磁盘块的管理

1.存储空间的划分与初始化

2.空闲表法

3.空闲链表法

1.空闲盘块链

2.空闲盘区链

4.位示图法

1.方法

2.如何分配分配与回收

5.成组链接法

1.思想

2.如何分配和回收

超级块相当于链头

3.如何回收

注意：在成组链接法中，空闲盘块是可以不连续的，所以盘块号只是起连接作用，在分配和回收过程中用不到

6.文件的基本操作

1.创建文件

进行create系统调用，需要提供一下介个主要参数：

1.所需的外存空间大小

2.文件存放路径

3.文件名

操作系统处理create系统调用时，主要做了两件事：

1.在外存中找到文件所需的空间

2.根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件，在目录中创建该文件对应的目录项。目录项中包含了文件名、文件在外存中的存放位置等信息。

2.删除文件

进行delete系统调用，如要提供一下几个参数：

1.文件的存放路径

2.文件名

操作系统在处理delete系统调用时，主要作了一下几件事：

1.根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项。

2.根据该目录项记录的文件在外存的存放位置、文件大小等信息，回收文件占用的磁盘块。

3.从目录表中删除文件对应的目录项。

3.打开文件

很多操作系统中，在对文件进行操作之前，要求用户先使用open系统调用“打开文件”，需要提供一下几个主要参数：

1.文件存放路径

2.文件名

3.要对文件的操作类型（r，rw）

操作系统在处理open系统调用时，主要做了几件事：

1.根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项，并检查该用户是否有指定的操作权限。

2.将目录项复制到内存中的“打开文件表“中。并将对应表目的编号返回给用户。之后用户使用打开文件的编号来指明要操作的文件。（之后用户进程A操作文件就不需要每次都重新查目录了，这样可以加快文件的访问速度）

4.关闭文件

5.读文件

6.写文件

7.文件共享

操作系统为用户提供文件共享功能，可以让多个用户共享地使用同一个文件

注意：多个用户共享同一个文件，意味着系统中只有”一份“文件数据。并且只要某个用户修改了该文件的数据，其他用户也可以看到文件数据的变化。与复制不同

1.基于索引节点的共享方式（硬链接）

1、索引节点中设置一个连接技术变量count，用于表示链接到本索引节点上的用户目录项数。

2、实质上是不同用户的目录项指向同一个索引节点，不同用户的文件名可以不同，共同指向同一个索引节点。起别名

3.如果某个用户决定要删除该文件，则只是把用户目录中与该文件对应的目录项删除，且索引节点的count-1；如果count>0，说明还有别的用户要使用该文件，暂时不能把文件数据删除，否则会导致指针悬空。count = 0，删除文件

2.基于符号链的共享方式（软连接）

1、用户A和用户B共享同一个文件，采用软连接的方式，实际上，操作系统会为某个用户新建一个”链接文件“，这类型的文件类似于Window中的快捷方式，该文件中存放的是共享文件的路径。

2、访问共享文件的过程：先访问连接文件，使用特殊的访问方式，找到链接文件中存放的路径，进而找该路径下的文件，即可最终找到共享文件。

3、对于软连接的方式，如果删除共享文件，则软连接会实效，找不到实际的共享文件。如果仅删除链接文件，则原来的文件时不会被影响。（类似于window中的快捷方式，快捷方式就是一种链接文件）

4、由于软连接方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多级磁盘I/O，因此用软连接访问速度相较于硬链接慢一些。

8.文件保护

1.口令保护

1、为文件设置一个”口令“，用户请求访问该文件时，必须提供”口令“。

2、口令一般存放在文件对应的FCB或索引节点中。用户访问文件需要先输入”口令“，操作系统会将用户提供的口令与FCB中存储的口令进行对比，如果正确，则允许该用户访问文件。

3、优点：保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销也很小。

4、缺点：正确的”口令“存放在系统内部，不够安全。

2.加密保护

1、使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的”密码“才能对文件进行正确的解密。（公钥加密、私钥解密）

2、优点：保密性强，不需要在系统中存储”密码“

3、缺点：编码/译码，或者说加密/解密要花费一定时间。

3.访问控制

1、在每个文件的FCB（或索引节点）中增加一个访问控制列表（ACL），该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。

2、精简的访问列表：当用户很多时，每个用户一个访问控制列表不太现实；解决方案时：以”组“为单位，标记各”组“用户可以对文件执行哪些操作。

3、实现灵活，可以实现复杂的文件保护功能。

9.文件系统的层次结构

1.层次结构

2.例子

10.磁盘管理

1.磁盘的结构

1.磁盘：磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据。

2.磁道：的盘面被划分成一个个磁道。这样的一个”圈“就是一个磁道

3.如何在磁盘中读写数据

4、盘面、柱面、物理地址

5、磁盘的分类

盘片是否可以更换又可以分为：可换盘磁盘、固定盘磁盘

2.磁盘调度算法

1.一次读磁盘、写磁盘的时间

总的平均存取时间 = 寻找时间 + 延迟时间 + 传输时间

注意：

1）延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关。而转速是硬件的固有属性，因此操作系统也无法优化延迟时间和传输时间

2）操作系统唯一可以优化的时间是寻道时间，磁盘调度算法会直接影响寻道时间

2.减少磁盘延迟时间的方法：

原理：读完一个扇区后，需要一段时间处理才可以继续读入下一个扇区

1）交替编号：可以有效减少磁盘转动的圈数

2）错位命名：

3.磁盘地址结构的设计：

3.先来先服务算法FCFS

4.最短寻找时间优先算法SSTF

5.扫描算法SCAN-电梯算法

6.LOOK调度算法

解决SCAN算法的缺点的第一个问题

7.循环扫描算法C-SCAN

解决SCAN算法缺点的第二个问题，响应不平均

8.C-LOOK算法

解决C-SCAN算法的缺点

9.磁盘管理

1.磁盘初始化

2.引导块

3.坏块的管理