设备管理-文件管理

设备管理概述

• 设备是计算机系统与外界交互的工具，具体负责计算机与外部的输入/输出工作，所以常称为外部设备（简称外设）。在计算机系统中，将负责管理设备和输入/输出的机构称为I/O系统。因此，I/O系统由设备、控制器、通道（具有通道的计算机系统）、总线和I/O软件组成。
• 设备的分类:
  1. 按数据组织分类：块设备、字符设备。
  2. 按照设备功能分类：输入设备、输出设备、存储设备、网络联网设备、供电设备。
  3. 资源分配角度分类：独占设备、共享设备和虚拟设备。
  4. 数据传输速率分类：低俗设备、中速设备、高速设备。
• 设备管理的任务是保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定的策略分配和管理各种设备，控制设备的各种操作，完成I/O设备与主存之间的数据交换。
• 设备管理的主要功能是动态的掌握并记录设备的状态，设备分配和释放、缓冲区管理、实现物理I/O设备的操作、提供设备使用的用户接口及设备的访问和控制。

I/O软件

• I/O设备管理软件的所有层次及每一层功能如下图：
  

• 实例：当用户程序试图读一个硬盘文件时，需要通过操作系统实现这一操作。与设备无关软件检查高速缓存中有无要读的数据块，若没有，则调用设备驱动程序，想I/O硬件发出一个请求。然后，用户进程阻塞并等待磁盘操作完成。当磁盘操作完成时，硬件产生一个中断，转入中断处理程序。中断处理程序检查中断的原因，认识到这时磁盘读取操作已完成，于是唤醒用户进程取回从磁盘读取的信息，从而结束此次I/O请求。用户进程在得到了所需的硬盘文件内容之后继续运行。

设备管理技术

• 一台独占设备，在同一时间只能由一个进程使用，其他进程只能等待，且不知道什么时候打印机空闲，此时，极大地浪费了外设的工作效率。
• 引入SPOOLING（外围设备联机操作）技术，就是在外设上建立两个数据缓冲区，分别称为输入井和输出井，这样，无论多少进程，都可以共用这一台打印机，只需要将打印命令发出，数据就会排队存储在缓冲区中，打印机会自动俺顺序打印，实现了物理外设的共享，使得每个进程都感觉在使用一个打印机，这就是物理设备的虚拟化。如下图所示：
  
  

文件管理概述

• 文件是具有符号名的、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。
• 信息项是构成文件内容的基本单位，可以是一个字符，也可以是一个记录，记录可以等长，也可以不等长。一个文件包括文件体和文件说明。文件体是文件真实的内容。文件说明是操作系统为了管理文件所用到的信息，包括文件名、文件内部标识、文件的类型、文件存储地址、文件的长度、访问权限、建立时间和访问时间等。
• 文件管理系统，就是操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，专门负责管理和存取文件信息的软件机构，简称文件系统。文件系统的功能包括按名存取；统一的用户接口；并发访问和控制；安全性控制；优化性能；差错恢复。
• 文件的类型：
  1. 按文件性质和用途可将文件分为系统文件、库文件和用户文件。
  2. 按信息保存期限分类可将文件分为临时文件、档案文件和永久文件。
  3. 按文件的保护方式分类可将文件分为只读文件、读/写文件、可执行文件和不保护文件。
  4. UNIX系统将文件分为普通文件、目录文件和设备文件（特殊文件）。
• 文件的逻辑结构可分为两大类：有结构的记录式文件；无结构的流式文件。
• 文件的物理结构是指文件在物理存储设备上的存放办法，包括：
  1. 连续结构。连续结构也称顺序结构，它将逻辑上连续的文件信息（如记录）依次存放在连续编号的物理块上。
  2. 链接结构。链接结构也称串联结构，它是将逻辑上连续的文件信息（如记录）存放在不连续的物理块上，每个物理块设有一个指针向下一个物理块。
  3. 索引结构。将逻辑上连续的文件信息（如记录）存放在不连续的物理块中，系统为每个文件建立一张索引表。索引表记录了文件信息所在的逻辑块号对应的物理块号，并将索引表的起始地址放在与文件对应的文件目录项中。
  4. 多个物理块的索引表。索引表是在文件创建时由系统自动建立的，并与文件一起存放在同一文件卷上。根据一个文件大小的不同，其索引表占用物理块的个数不等，一般占一个或几个物理块。

索引文件结构

• 如图所示，系统中有13个索引节点，0-9为直接索引，即每个索引节点存放的是内容，假设每个物理盘大小为4KB，共可存4KB*10=10KB数据；
• 10号索引节点为一级间接索引节点，大小为4KB，存放的并非直接数据，而是链接到直接物理盘块的地址，假设每个地址占4B，则共用1024个物理盘，可存1024*4KB=4096KB数据。
• 二级索引节点类似，直接盘存放一级地址，一级地址再存放物理盘块地址，而后链接到存放数据的物理盘块，容量有扩大了一个数量级，为1024* 1024* 4KB数据。
  

文件目录

• 文件控制块中包含以下三类信息：基本信息类、存取控制信息类和使用信息类。
  1. 基本信息类。例如文件名、文件的物理地址、文件长度和文件块数等。
  2. 存取控制信息类。文件的存取权限，像UNIX用户分成文件主、同组用户和一般用户三类，这三类用户的读/写执行RWX权限。
  3. 使用信息类。文件建立日期、最后一次修改日期、最后一次访问的日期、当前使用的信息（如打开文件的进程数、在文件上的等待队列）等。
• 文件控制块的有序集合称为文件目录。
• 相对路径：是从当前路径开始的路径。
• 绝对路径：是从根目录开始的路径。
• 全文件名=绝对路径+文件名。要注意，绝对路径和相对路径是不加最后的文件名的，只是单纯的路径序列。
  

文件存储空间管理

• 文件的存取方法是指读/写文件存储器上的一个物理块的方法。通常有顺序存取和随机存取两种方法。顺序存取方法是指对文件中的信息按顺序依次进行读/写；随机存取方法是指对文件中的信息可以按任意的次序随机的读/写。
• 文件存储空间的管理：

  1. 空闲区表。将外存空间上的一个连续的未分配区域称为“空闲区”。操作系统为磁盘外存上的所有空闲区建立一张空闲表，每个表项对应一个空闲区，适用于连续文件结构。
     

  2. 位示图。这种方法是在外存上建立一张位示图，记录文件存储器的使用情况。每一位对应文件存储器上的一个物理块，取值0和1分别表示空闲和占用。
     
     

  3. 空闲块链。每个空闲物理块中有指向下一个空闲物理块的指针，所有空闲物理块构成一个链表，链表的头指针放在文件存储器的特定位置上（如管理块中），不需要磁盘分配表，节省空间。

  4. 成组链接法。例如，在实现时系统将空闲块分成若干组，每100个空闲块为一组，每组的第一个空闲块登记了下一组空闲块的物理盘块号空闲块总数。假如某个组的第一个空闲块号等于0，意味着该组是最后一组，无下一组空闲块。