OS(十四)：文件管理之 目录管理
OS通过文件目录实现对文件的管理，文件目录是一种数据结构，用于标识系统中的文件及其物理地址，供检索时使用。
1、文件控制块
1.1、文件控制块
1.1.1、概念
文件控制块(FCB)：描述和控制文件的数据结构，使得文件能进行正确的存取。
文件目录：文件控制块的有序集合，一个文件控制块就是一个文件目录项。一个文件目录可被当作一个文件，称为目录文件。
1.1.2、PCB包含的内容
文件控制块包含三类信息，分别是 基本信息、存取控制信息 和使用信息。
2.1、基本信息
文件名，标识文件的符号名；
文件物理位置，文件在外存上的存储位置，包括存放文件的设备名，文件在外存上的起始盘块号、文件占用的盘块数、字节数的文件长度；
文件逻辑结构，指示文件是流式文件还是记录式文件、记录数；文件是定长记录还是变长记录。
文件的物理结构，指示文件是顺序文件，还是链接式文件或索引文件。
2.2、存储控制信息类
文件主的存取权限，核准用户的存取权限 及 一般用户的存取权限。
2.3、使用信息类
文件的日期及当前使用信息，包括已打开文件进程数，是否被其它进程锁住，文件在内存中是否已被修改但尚未拷贝到盘上。
2、索引节点
2.1、索引节点的引入
文件目录存放在磁盘，文件很多时，文件目录要占用大量的盘块。
查找目录的过程：先将存放目录文件的第一个盘块中的目录调入内存，再把用户给定的文件名和目录项中的文件逐一比较。未找到指定文件，将下一盘块中的目录项调入内存。
检索目录的过程，只用到文件名，仅当找到一个目录项时，才需要从该目录项中读出该文件的物理地址，其它对描述文件的信息，检索目录时不许用。
文件名和文件描述符分开，使文件描述信息单独形成一个称为索引节点的数据结构，简称 i节点。
文件目录中，每个目录项紧由文件名和指向该文件所对应的i节点的指针所构成。
2.2、磁盘索引节点
存放在磁盘上的索引节点，每个文件有惟一的一个磁盘索引节点，包含以下内容：
文件主标识符
文件类型
文件存取权限
文件物理地址：每一个索引节点汇总含有13个地址项，iaddr(0) ~ iaddr(12)，它们以直接或间接方式给出数据文件所在盘块的编号。
文件长度，以字节为单位的文件长度。
文件连接计数，本文件系统中所有指向该文件名的指针计数。
文件存储时间
2.3、内存索引节点
存放在内存中的索引节点，文件被打开时，要将磁盘索引节点拷贝到内存索引节点中，便于后续使用。包含以下内容：
索引节点编号：表示内存索引节点
状态：指示i节点是否上锁或被修改
访问计数：当有一进城要访问此i节点时，将该访问计数加1，访问完再减1.
文件所属文件系统的设备号
连链接指针，设置有分别指向空闲链表和散列队列的指针。
2、目录结构
目录结构形式：单机目录、两级目录和多级目录。
2.1、单级目录
整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项，目录项包含文件名、文件拓展名、文件长度、文件类型、文件物理地址以及其他文件属性、为表明每个目录项是否空闲，设置一状态位。
建立一个新文件，先检索所有的目录项，保证新文件名在目录中是惟一的，再从目录表中找出一个空白目录项，填入新文件的文件名及其他说明信息，并置状态位为1。
删除文件时，先从目录中找到该文件的目录项，回收该文件所占用的存储空间，清除该目录项。
单级目录简单且能实现目录管理的基本拿功能 - 按名存取。
单级目录查找速度慢，不允许重名，不便于实现文件共享。
2.2、两级目录
为解决单级目录的问题，为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD(User File Directory)，UFD由用户所有文件的文件控制块组成。
系统中再建立一个主文件目录MFD(Master File Directory)，在主文件目录中，每个用户目录文件都占有一个目录项，目录项中包括用户名和指向该用户目录文件的指针。
当有了UFD后，创建新文件时，OS只需检查该用户UFD，判定该UFD中是否已有同名的另一个文件。若有，为新文件重新命名，若无，在UFD中建立一个新目录项，将文件名及相关属性填入目录项中，并置状态位为1。
两级目录的优点：提高了检索目录的速度；在不同的用户目录中，可使用相同的文件名；不同用户可以使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。
2.3、多级目录
多级目录，也被称为树型目录结构，主目录被称为根目录，把数据文件称为树叶，其他的目录均作为树的结点。
多级目录结构如下：
方框表示目录文件，圆圈标识数据文件。
3、目录查询技术
目录进行查询的方式：线性检索法 和 Hash方法。
3.1、访问文件过程
用户访问已存在文件过程：先利用用户提供的文件名对目录进行查询，找出该文件的文件控制块或对应的索引节点，然后根据FCB或索引节点中记录的文件物理地址(盘块号)，换算出文件在磁盘上的物理位置，最后通过磁盘驱动程序，将所需文件读入内存。
3.2、线性检索法
线性检索法，称为顺序检索法。
在单级目录中，利用用户提供的文件名，用顺序查找法直接从文件目录中找到指明文件的目录项；
在树型目录中，用户提供的文件名是由多个文件分量名组成的路径名。
假定用户给定的文件路径名：/usr/ast/mbox
1、系统读取第一个文件分量名usr，用它与根目录文件中各目录项中的文件名顺序的进行比较，找出匹配者，的带匹配项的索引节点号6，从此节点中得知usr目录文件存放在132号盘块中，将该盘块内存读入内存；
2、系统将路径名中的第二个文件分量名ast读入，用它与第二级目录文件中各目录项中的文件名顺序的进行比较，找出匹配者，的带匹配项的索引节点号26，从此节点中得知/usr/ast存放在496号盘块中
3、系统将路径名中的第三个文件分量名mbox读入，用它与第三级目录文件/usr/ast中各目录项中的文件名顺序的进行比较，最后得到/usr/ast/mbox的索引节点号是60，即在60号索引节点中存放了指定文件的物理地址。
3.3、Hash方法
系统利用用户提供的文件名并将它变换为文件目录的索引值，利用该索引值到目录中去查找。
利用Hash方法查找，可能会出现Hash冲突，即不同文件名转换为相同的Hash值。
解决Hash冲突的有效规则：
利用Hash方法查找目录时，若目录表中相应的目录项是空的，表示系统无指定文件；
目录项中的文件名与指定文件名相匹配，表示该目录项正是索要寻找的文件所对应的目录项，可从中找到该文件所在的物理地址。
目录表中相应的目录项中的文件名与指定文件不匹配，表示发生了"冲突"，须将其Hash值再加上一个常数，形成新的索引值，再返回第一步重新开始查找。
