复习笔记|第五章 文件系统《操作系统原理教程》
大纲问题回答（精简版）
1. 什么是文件和文件系统？文件系统的主要功能。UNIX系统如何对文件进行分类？它有什么好处？
⚫ 文件是存储在外部存储器上的具有符号名的相关信息的集合。
⚫ 文件系统：OS中管理文件的软件机构。包括管理文件所需的数据结构、相应的管理软件和被管理的文件。
文件系统的功能
1. 管理文件存储器。记录存储空间使用情况，实现分配和回收。
2. 实现按名存取。利用目录结构快速定位文件。
3. 应具有灵活多样的文件结构和存取方法，便于用户存储和加工处理信息。
4. 提供一套使用方便、简单的操作命令。
5. 保证文件信息的安全性。
6. 便于文件的共享。
⚫ UNIX系统中的文件分类
◆普通文件：通常的文件。
◆目录文件：由文件目录构成的一类用来维护文件系统结构的文件。对其处理同普通文件。
◆特别文件：输入设备和输出设备（字符型特别文件），输入/输出型设备（字符块特别文件），管道文件。
从使用上看，与普通文件相同，都要查找目录、验证使用权限、进行读或写等。只是系统把对特别文件的操作转为对不同设备的操作。
方便用户操作文件
2. 文件目录的作用是什么？文件目录项通常包含哪些内容？文件控制块。
实现用户按文件名存取文件存储器上的信息，同时使用起来方便灵活、安全可靠，并便于文件的共享和保密。
linux的简单目录项
⚫ 文件控制块：包含了文件的说明信息和管理控制信息。如，文件名、文件标识、类型、存储位置、大小、保护方式、创建或修改日期等。
⚫ 操作系统通过文件控制块管理文件。它将文件控制块保存在目录文件中，每个文件占用一个目录项。
3. 文件的逻辑结构有几种形式？文件的存取方法？
◆ 无结构的字节流式文件、有结构的记录式文件（定长、变长）
◆ 顺序存取、直接存取
文件的逻辑结构
⚫ 无结构的字节流式文件。由无结构的先后到达的相关字节组成。
⚫ 有结构的记录式文件。分为定长记录式文件和变长记录式文件。
⚫ 通常，操作系统不了解也不关心文件的内容，它所“看到的”都是字节流。
文件的存取方法
（1）顺序存取：按照文件信息的逻辑顺序依次存取。适用于顺序访问设备（磁带）和随机访问设备（磁盘）。
（2）直接存取（随机存取）：基于文件的磁盘模型，磁盘允许对任意文件块进行随机读和写。
4. 文件的物理结构有哪几种？对于不同的结构，文件系统是如何进行管理的？
◆连续文件（文件目录表）、链接文件（文件分配表）、索引文件（索引表）、索引顺序文件
⚫ 物理块：把文件存储空间划分成若干大小相等的块。物理块是分配及传输信息的基本单位。一个物理块包括一个或几个连续扇区。
⚫ 逻辑块：把文件信息划分成与物理块大小相等的逻辑块，方便管理。
1. 连续文件（顺序文件）
2. 链接文件
3. 索引文件
4. 索引顺序文件
连续文件
⚫ 文件内容连续存放。
⚫ 优点
◆简单。
◆支持顺序存取和随机存取。
◆存取速度快。只要访问一次文件的管理信息，就可方便地存取到任一记录。
⚫ 缺点
◆不灵活。要求在文件创建时，就给出文件的最大长度。
◆容易产生碎片。由于不断地创建和删除文件，文件存储空间可能出现许多小的无法利用的空洞。
⚫ 连续结构适合存储长度不变的系统文件。
链接文件
不要求文件内容连续存放。把文件所占用的物理块用链接指针链接起来。
⚫ 优点：可以解决外存碎片问题，提高外存空间利用率；允许文件动态增长。
⚫ 缺点：只能按文件的指针链顺序存取，效率低。
克服链接文件不能随机存取的缺点
索引表长度就是文件存储器能够划分的块数
MS-DOS就是使用文件分配表（FAT）来分配和管理磁盘空间的。
⚫ 优点：系统运行时，文件分配表在主存，可以顺序访问文件，也可以随机访问。
⚫ 缺点：运行时整个表必须在主存，主存消耗大。
FAT文件卷
⚫ FAT：存有整个文件存储空间的使用情况。
⚫ 根目录区：存放根目录文件。FAT32无此区。
⚫ 文件数据区：存放文件。
⚫ 作为一种跨操作系统共享存储体的解决方案，支持可移动或可插拨的存储介质，如软盘、U盘、移动硬盘等。现在，微软为闪存设备特地设计了exFAT，即FAT64。
索引文件
⚫ 为每个文件建立一张索引表。用索引表记录文件内容的存放地址，即记录文件的逻辑块号和物理块号之间的对应关系。
⚫ 例子： UNIX、Linux
⚫ 在访问文件时，先将索引表调入内存，避免访问文件时两次访问外存。
⚫ 当索引表长度超过一个磁盘块时，还要对索引表进行索引，即建立二级索引。
⚫ Linux采用多级索引结构。P193
优点：文件可动态修改；随机、顺序存取。
缺点：索引表的使用增加了存储空间的开销；降低了文件的存取速度。
索引顺序文件
⚫ 索引文件和顺序文件的组合形式
⚫ 将顺序文件中的所有记录分为若干组，并为其建立索引表。在索引表中，为每组的第一个记录建立一个索引项，其他记录不再建立。
⚫ Windows的NTFS文件系统。P319
⚫ MFT（Master File Table，主控文件表）
5. DOS文件卷的结构，DOS系统的文件物理结构是什么？
◆ FAT文件系统（引导或保留扇区、FAT1、FAT2、根目录区、文件数据区）
FAT文件卷
⚫ FAT：存有整个文件存储空间的使用情况。
⚫ 根目录区：存放根目录文件。FAT32无此区。
⚫ 文件数据区：存放文件。
⚫ 作为一种跨操作系统共享存储体的解决方案，支持可移动或可插拨的存储介质，如软盘、U盘、移动硬盘等。现在，微软为闪存设备特地设计了exFAT，即FAT64。
链接文件
6. 了解记录的组块和分解。
文件记录的组块与分解
⚫ 一个物理块可以存放若干个逻辑记录，一个逻辑记录可以存放在若干个物理块中。把一个块中存放的逻辑记录的个数叫做块因子。
⚫ 必须使用主存缓冲区：信息交换是以块为单位进行的。用户将要写的记录先写入主存缓冲区，当缓冲区满时，再写磁盘。
⚫ 用户使用记录时，先将包含该记录的物理块读入内存缓冲区，然后进行记录分解。
7. 文件存储空间的管理方法有几种？它们各是如何实现文件存储空间的分配和回收的？
◆空白文件目录、空闲块链表、位示图
① 空白文件目录（是一种最简单的方法）
② 空闲块链表
③ 位映像表（bit map）或位示图
（1）空白文件目录
空白文件：一个连续未用的空闲盘块区。
空白文件目录：系统为所有这些空白文件建立一张表。每个空白文件占用一个表目。
适合于文件的静态分配（连续文件的分配）。
（2）空闲块链表
空闲块链把所有空闲块连接成一个链表。
⚫ 优点：简单。适合文件动态分配。
⚫ 缺点：工作效率低。分配和回收多个盘块时要多次访问磁盘才能完成。
空闲块成组链表
⚫ 利用盘空闲块来管理盘上的空闲块，每个磁盘块记录尽可能多的空闲块而成一组。各组之间用链指针链接在一起。
⚫ 便于空闲块的分配与回收。
⚫ 适合连续文件、链接文件和索引文件的存储分配。
（3）位映像表（位示图）
是适合文件静态分配和动态分配的最简单方法
位映像表（位向量）：每一个二进制位对应一个物理盘块。为1时表示块已分配，为0时空闲。
优点：易找到一个或几个连续的空闲块。其尺寸固定，可以保存在主存，便于分配和回收。
8. 建立多级目录有哪些好处？文件的重名和共享问题是如何得到解决的？
◆符号链接、硬链接
优点：层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件分类；解决重名问题；提高文件检索速度；能够控制存取权限。
二级和多级目录较好地解决文件的重名和共享。
二级目录结构
⚫ 为每个用户建立一张用户目录表。
⚫ 主目录表：记录各用户名及用户目录表所在的物理地址。
⚫ 优点：可解决文件重名问题，查找速度较快。
⚫ 缺点：当文件较多时，存取速度仍然较慢。无法实现文件共享。
多级目录结构
⚫ 多级目录结构：树形目录结构。
⚫ 完全路径名//绝对路径名：是由根到文件通路上所有目录与该文件的符号名拼接而成的。
⚫ 当前目录//工作目录：用户根据自己的工作需要，在一定时间内，指定某个目录为当前目录。
⚫ 文件的相对路径：从当前目录出发的路径。
优点：层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件分类；解决重名问题；提高文件检索速度；能够控制存取权限。
缺点：查找一个文件需要按路径名逐层检查多级目录，需多次访盘，影响文件的访问速度。
多级目录结构
⚫ 纯树形目录结构禁止共享文件和目录。
⚫ 无环图目录结构允许共享文件和子目录。共享文件只有一个副本。
⚫ 在创建新链接时要避免环，有环的操作复杂些。
⚫ 实现共享文件和目录的方法。
◆ 符号链接文件：创建一个新目录项，其中存有指向另一个文件或目录的绝对路径名。
◆ 硬链接：在共享目录项中简单地重复被共享文件的信息，因此两个目录项完全相同。
9. 文件系统中，常用的文件操作命令有哪些？它们的具体功能是什么？打开和关闭文件命令的目的是什么？
◆create, delete, open, close, read, write, append, seek,get attributes, set attributes, rename
1) 创建（Create）文件
主要功能：在指定设备上为指定路径名的文件建立一个目录项，并设置文件的有关属性。
2) 删除（Delete）文件
主要功能：根据文件的路径名找到指定的目录项，回收其占用的各个物理块，再将该目录项置为空。
3) 打开（Open）文件：建立进程和文件之间联系
◆根据文件路径名找到文件目录项，进而找到FCB。FCB进内存，再创建文件对象。
◆系统打开文件表是由文件对象组成的链表。
◆文件对象记录了文件读/写位置指针、文件方法、共享该文件的进程数等信息。
◆Linux，文件对象地址记录在进程打开文件表里；Windows文件对象地址记录在进程句柄表里。返回表的索引。
4) 关闭（Close）文件
◆释放文件在主存里的目录项，切断用户与文件的联系。
◆若目录项被修改过，则写回辅存。
◆若文件被修改过，则写回辅存。
5) 读（Read）文件
◆命令中必须指出要读的数据个数，以及存放数据的主存地址。
◆根据文件所在设备、文件类型的不同，系统设置不同的读命令。
6) 写（Write）文件
命令中必须指出要写的数据个数，以及存放数据的主存地址，将主存中的数据写到指定的文件中。
7) 追加（Append）文件
限制了写文件的形式，将数据追加到文件尾。
8) 随机存取（Seek）文件
重新定位文件的读/写位置指针。
9) 得到文件属性（Get Attributes）
进程在执行时常常需要了解文件的属性。
在UNIX系统中，一个软件开发项目通常由多个源文件组成，make程序用来管理这些源文件。当make被调用时，它检查所有源文件和目标文件的修改时间，并且编排出需要重新编译的文件数。
10)设置文件属性（Set Attributes）
修改文件的一些属性，以适应用户的要求。
11)重命名（Rename）文件
重新命名一个已经存在的文件。
对于文件的独享权
10.存取控制表ACL的概念。
◆给每个对象建立一个存取控制表，由有序对(域, 权集)构成
⚫ 为存取控制矩阵中的每一列建立一张存取控制表(ACL)，用一有序对(域, 权集)表示。
⚫ 文件的ACL记录在FCB中。
11.理解内存映射文件（memory mapped file）的过程。
存储器映射文件
文件系统的读文件：先把文件读入系统缓冲区，再送入进程私有地址空间。
⚫ 存储器映射文件：将文件映射到进程私有地址空间的一个区域，返回起始虚地址，仅当需要对文件存取时，才传输文件数据。
⚫ 采用与请求页式虚存管理相同的存取机制。访问的页不在主存时，产生缺页中断读入主存。
⚫ OS提供映射文件的系统调用。
大纲问题回答
1. 什么是文件和文件系统？文件系统的主要功能。UNIX系统如何对文件进行分类？它有什么好处？
⚫ 文件是存储在外部存储器上的具有符号名的相关信息的集合。
⚫ 文件系统：OS中管理文件的软件机构。包括管理文件所需的数据结构、相应的管理软件和被管理的文件。
文件系统的功能
1. 管理文件存储器。记录存储空间使用情况，实现分配和回收。
2. 实现按名存取。利用目录结构快速定位文件。
3. 应具有灵活多样的文件结构和存取方法，便于用户存储和加工处理信息。
4. 提供一套使用方便、简单的操作命令。
5. 保证文件信息的安全性。
6. 便于文件的共享。
⚫ UNIX系统中的文件分类
◆普通文件：通常的文件。
◆目录文件：由文件目录构成的一类用来维护文件系统结构的文件。对其处理同普通文件。
◆特别文件：输入设备和输出设备（字符型特别文件），输入/输出型设备（字符块特别文件），管道文件。
从使用上看，与普通文件相同，都要查找目录、验证使用权限、进行读或写等。只是系统把对特别文件的操作转为对不同设备的操作。
方便用户操作文件
2. 文件目录的作用是什么？文件目录项通常包含哪些内容？文件控制块。（1）
实现用户按文件名存取文件存储器上的信息，同时使用起来方便灵活、安全可靠，并便于文件的共享和保密。
文件目录项通常包含：文件名、文件结构信息、文件存取控制信息、文件管理信息；
操作系统使用文件控制块管理文件，它将文件控制块保存在目录文件中，每个文件占用一个目录项；
⚫ 文件控制块：包含了文件的说明信息和管理控制信息。如，文件名、文件标识、类型、存储位置、大小、保护方式、创建或修改日期等。
⚫ 操作系统通过文件控制块管理文件。它将文件控制块保存在目录文件中，每个文件占用一个目录项。
3. 文件的逻辑结构有几种形式？文件的存取方法？（3）
文件的逻辑结构
⚫ 无结构的字节流式文件。由无结构的先后到达的相关字节组成。
⚫ 有结构的记录式文件。分为定长记录式文件和变长记录式文件。
通常，操作系统不了解也不关心文件的内容，它所“看到的”都是字节流。
文件的存取方法
（1）顺序存取：按照文件信息的逻辑顺序依次存取。适用于顺序访问设备（磁带）和随机访问设备（磁盘）。
（2）直接存取（随机存取）：基于文件的磁盘模型，磁盘允许对任意文件块进行随机读和写。
4. 文件的物理结构有哪几种？对于不同的结构，文件系统是如何进行管理的？（4）
1）连续文件（顺序文件） 文件内容连续存放。优点简单。支持顺序存取和随机存取。存取速度快。只要访问一次文件的管理信息，就可方便地存取到任一记录。缺点：不灵活，容易产生碎片。连续结构适合存储长度不变的系统文件。
2）链接文件 不要求文件内容连续存放。把文件所占用的物理块用链接指针链接起来。优点：可以解决外存的碎片问题，提高了外存空间的利用率；允许文件动态增长。 缺点：只能按文件的指针链顺序存取，查找效率较低。
3）索引文件 为每个文件建立一张索引表。用索引表记录文件内容的存放地址，即记录文件的逻辑块号和对应的物理块号之间的关系。优点：文件可动态修改；随机、顺序存取。缺点：索引表的使用增加了存储空间的开销；降低了文件的存取速度。
4）索引顺序文件 索引结构的变形结构；索引表记录每个文件逻辑块开始的 VCN与开始的 LCN，VCN 为虚拟簇号（逻辑的地址），LCN 为逻辑簇号（虽然叫逻辑，但因为物理上相邻，故也可看做物理的地址）；
管理方式：连续文件——空白文件目录；
链接文件、索引文件、索引顺序文件——空闲块链表；
索引顺序文件——还可使用位映像表（即位示图）；
5. DOS文件卷的结构，DOS系统的文件物理结构是什么？
◆ FAT文件系统（引导或保留扇区、FAT1、FAT2、根目录区、文件数据区）
DOS 文件卷为 FAT 文件系统结构，使用文件分配表 FAT 分配和管理磁盘空间；
MS-DOS 系统的文件物理结构为链接文件结构；
其使用无结构的字节流形式组织和处理文件；
FAT文件卷
⚫ FAT：存有整个文件存储空间的使用情况。
⚫ 根目录区：存放根目录文件。FAT32无此区。
⚫ 文件数据区：存放文件。
⚫ 作为一种跨操作系统共享存储体的解决方案，支持可移动或可插拨的存储介质，如软盘、U盘、移动硬盘等。现在，微软为闪存设备特地设计了exFAT，即FAT64。
6. 了解记录的组块和分解。
文件记录的组块与分解
⚫ 一个物理块可以存放若干个逻辑记录，一个逻辑记录可以存放在若干个物理块中。把一个块中存放的逻辑记录的个数叫做块因子。（记录组块）
⚫ 必须使用主存缓冲区：信息交换是以块为单位进行的。用户将要写的记录先写入主存缓冲区，当缓冲区满时，再写磁盘。
⚫ 用户使用记录时，先将包含该记录的物理块读入内存缓冲区，然后进行记录分解，得到其中的逻辑记录；（记录分解）
7. 文件存储空间的管理方法有几种？它们各是如何实现文件存储空间的分配和回收的？（4）
◆空白文件目录、空闲块链表、位示图
① 空白文件目录（是一种最简单的方法）
② 空闲块链表
③ 位映像表（bit map）或位示图
（1）空白文件目录
空白文件：一个连续未用的空闲盘块区。
空白文件目录：系统为所有这些空白文件建立一张表。每个空白文件占用一个表目。
适合于文件的静态分配（连续文件的分配）。
（2）空闲块链表
空闲块链把所有空闲块连接成一个链表。
⚫ 优点：简单。适合文件动态分配。
⚫ 缺点：工作效率低。分配和回收多个盘块时要多次访问磁盘才能完成。
空闲块成组链表
⚫ 利用盘空闲块来管理盘上的空闲块，每个磁盘块记录尽可能多的空闲块而成一组。各组之间用链指针链接在一起。
⚫ 便于空闲块的分配与回收。
⚫ 适合连续文件、链接文件和索引文件的存储分配。
（3）位映像表（位示图）
是适合文件静态分配和动态分配的最简单方法
位映像表（位向量）：每一个二进制位对应一个物理盘块。为1时表示块已分配，为0时空闲。
优点：易找到一个或几个连续的空闲块。其尺寸固定，可以保存在主存，便于分配和回收。
8. 建立多级目录有哪些好处？文件的重名和共享问题是如何得到解决的？（2）
◆符号链接、硬链接
优点：
- 层次结构清晰，便于管理和保护；
- 有利于文件分类；
- 解决重名问题；
- 提高文件检索速度；
- 能够控制存取权限；
- 便于共享。
重名的解决：重名文件的完全路径名不同，从而得以区分；
共享的解决：可使用符号链接文件（一种很小的文件）存储欲共享文件的绝对路径名；
●符号链接：创建一个新目录项，其中存有指向另一个文件或目录的绝对路径名。
●硬链接：在共享目录项中简单地重复被共享文件的信息，因此两个目录项完全相同。
二级和多级目录较好地解决文件的重名和共享。
二级目录结构
⚫ 为每个用户建立一张用户目录表。
⚫ 主目录表：记录各用户名及用户目录表所在的物理地址。
⚫ 优点：可解决文件重名问题，查找速度较快。
⚫ 缺点：当文件较多时，存取速度仍然较慢。无法实现文件共享。
多级目录结构
⚫ 多级目录结构：树形目录结构。
⚫ 完全路径名//绝对路径名：是由根到文件通路上所有目录与该文件的符号名拼接而成的。
⚫ 当前目录//工作目录：用户根据自己的工作需要，在一定时间内，指定某个目录为当前目录。
⚫ 文件的相对路径：从当前目录出发的路径。
优点：层次结构清晰，便于管理和保护；有利于文件分类；解决重名问题；提高文件检索速度；能够控制存取权限。
缺点：查找一个文件需要按路径名逐层检查多级目录，需多次访盘，影响文件的访问速度。
多级目录结构
⚫ 纯树形目录结构禁止共享文件和目录。
⚫ 无环图目录结构允许共享文件和子目录。共享文件只有一个副本。
⚫ 在创建新链接时要避免环，有环的操作复杂些。
⚫ 实现共享文件和目录的方法。
◆ 符号链接文件：创建一个新目录项，其中存有指向另一个文件或目录的绝对路径名。
◆ 硬链接：在共享目录项中简单地重复被共享文件的信息，因此两个目录项完全相同。
9. 文件系统中，常用的文件操作命令有哪些？它们的具体功能是什么？打开和关闭文件命令的目的是什么？
◆create, delete, open, close, read, write, append, seek,get attributes, set attributes, rename
1) 创建（Create）文件
主要功能：在指定设备上为指定路径名的文件建立一个目录项，并设置文件的有关属性。
2) 删除（Delete）文件
主要功能：根据文件的路径名找到指定的目录项，回收其占用的各个物理块，再将该目录项置为空。
3) 打开（Open）文件：建立进程和文件之间联系
◆根据文件路径名找到文件目录项，进而找到FCB。FCB进内存，再创建文件对象。
◆系统打开文件表是由文件对象组成的链表。
◆文件对象记录了文件读/写位置指针、文件方法、共享该文件的进程数等信息。
◆Linux，文件对象地址记录在进程打开文件表里；Windows文件对象地址记录在进程句柄表里。返回表的索引。
4) 关闭（Close）文件
◆释放文件在主存里的目录项，切断用户与文件的联系。
◆若目录项被修改过，则写回辅存。
◆若文件被修改过，则写回辅存。
5) 读（Read）文件
◆命令中必须指出要读的数据个数，以及存放数据的主存地址。
◆根据文件所在设备、文件类型的不同，系统设置不同的读命令。
6) 写（Write）文件
命令中必须指出要写的数据个数，以及存放数据的主存地址，将主存中的数据写到指定的文件中。
7) 追加（Append）文件
限制了写文件的形式，将数据追加到文件尾。
8) 随机存取（Seek）文件
重新定位文件的读/写位置指针。
9) 得到文件属性（Get Attributes）
进程在执行时常常需要了解文件的属性。
在UNIX系统中，一个软件开发项目通常由多个源文件组成，make程序用来管理这些源文件。当make被调用时，它检查所有源文件和目标文件的修改时间，并且编排出需要重新编译的文件数。
10)设置文件属性（Set Attributes）
修改文件的一些属性，以适应用户的要求。
11)重命名（Rename）文件
重新命名一个已经存在的文件。
对于文件的独享权
10.存取控制表ACL的概念。（2）
◆给每个对象建立一个存取控制表，由有序对(域, 权集)构成
⚫ 为存取控制矩阵中的每一列建立一张存取控制表(ACL)，用一有序对(域, 权集)表示。
⚫ 文件的ACL记录在FCB中。
例如 File1(D1,rwx)表示 File1 在域 D1 中，可读可写可执行；
11.理解内存映射文件（memory mapped file）的过程。（2）
内存映射文件，即针对某个具体的文件创建一个它的文件映射对象，又称区域对象；
创建区域对象即将文件映射到进程地址空间中一个区域，返回虚拟地址，仅当需要对文件存取时才传输实际数据；
其存取机制类似于请求页式存储器管理，当映射的页不存在时，也会产生缺页中断，之后转操作系统进行缺页处理；
⚫ OS提供映射文件的系统调用。
