操作系统---文件管理

文件的简介

一个文件的属性

• 文件名
• 标识符
• 类型
• 位置
• 大小
• 创建时间, 上次修改时间
• 文件所有者信息
• 保护信息

文件的分类

无结构文件 ( 流式文件)

如文本文件, 由一些二进制或字符流组成

有结构文件 ( 记录式文件 )

如数据库表, 由一组相似的记录组成, 又称 "记录式文件"

记录 : 一组相关数据项的集合

操作系统应该向上提供的功能

• 创建文件---create系统调用

• 读文件---read系统调用

• 删除文件---delete系统调用

• 写文件---write系统调用

• 打开文件---open系统调用

• 关闭文件---close系统调用

文件的逻辑结构

graph LR A[文件的逻辑结构]---B[有结构文件] A---C[无结构文件] B---b1[顺序文件] B---b2[索引文件] B---b3[索引顺序文件]

这里重点讨论有结构文件

有结构文件

有结构文件由一组相似的记录组成, 又称记录式文件 . 每条记录又由若干个数据项组成, 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是否相等, 可分为定长记录和可变长记录两种.

顺序文件

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

索引文件

索引顺序文件

索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合. 索引顺序文件中, 同样会为文件建立一张索引表, 但不同的是, 并不是每个记录都对应一个索引表, 而是一组记录对应一个索引表项

• 当记录过多的时候可以建立多级索引表

文件目录

文件控制块FCB

单级目录结构

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

单级目录不支持多用户操作系统

两级目录结构

早期的多用户操作系统采用两级目录结构, 分为主文件目录和用户文件目录.

多级目录结构 ( 树形目录结构 )

• 理解 : 相对目录可以减少磁盘I/O操作次数

无环图目录结构

索引结点 ( FCB的改进 )

将fcb除了文件名之外的所有信息放入索引结点存在外存, 只有找到对应的目录项时才将索引节点调入内存.

文件的物理结构

文件块和磁盘块

在内存管理中, 进程的逻辑地址空间被分为一个个的页面

同样的, 在外存管理中, 为了方便对文件数据的管理, 文件的逻辑地址空间也被分为了一个个的文件块

于是文件的逻辑地址也可以表示为 (逻辑块号, 块内地址)的形式

文件分配方式---连续分配

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块

操作系统可以直接算出逻辑块号对应的物理块号, 因此连续分配支持顺序访问和直接访问( 随机访问 )

优点 :

连续分配的文件在顺序读/写时速度最快

缺点 :

采用连续分配的文件不方便拓展

存储利用率低, 会产生难以利用的磁盘碎片. ( 可以采用紧凑的方法来处理碎片, 但是需要耗费很大的时间代价 )

文件分配方式---链接分配

隐式链接

采用隐式链接的链接分配方式, 很方便文件拓展 , 另外, 所有的空闲磁盘块都可以被利用, 不会有碎片问题, 外存利用率高

显式链接

文件分配方式---索引分配

文件离散地分配在各个磁盘块中, 系统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 .

• 索引分配方式可以支持随机访问, 文件拓展也很容易实现, 但是索引表需要占用一定的存储空间

多层索引

• K层索引访问一个数据块需要K+1次读磁盘操作

• 多层索引的各层索引大小不能超过一个磁盘块

• 会计算文件的长度

混合索引

混合索引是多种分配方式的结合

e.g.

一个文件的顶级索引表中既包含直接地址索引 , 又包含一级间接索引 ,还包含两级间接索引 ...

好处 : 对于小文件来说只需要很少的读磁盘操作

文件存储空间管理

空闲表法

空闲表记录空闲盘块号的起始地址和空闲块数

• 要求 : 连续的存储空间

• 如何分配磁盘块 : 与内存管理的动态分区类似, 为一个文件分配连续的存储空间. 同样可以采用首次适应 , 最佳适应 , 最坏适应等算法.

• 如何回收磁盘块 :

空闲链表法

1. 空闲盘块链

2. 空闲盘区链

位示图法

成组链接法

UNIX系统采用了成组链接法对空闲块进行管理

讲的很好的一篇图文结合博客

文件的基本操作

创建文件

使用 "create系统调用"

1. 在外存中找到文件所需的时间
2. 根据文件的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 )

删除文件

使用 "delete系统调用"

打开文件

• 打开文件表

  • 读写指针 ：读 / 写操作进行到的位置记录
  • 访问权限 : 只读 / 只写 / 可读可写....

  打开文件时不会把文件的数据直接读入内存 ( 读文件时才读入内存 )

关闭文件

读文件, 写文件

文件共享

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 . 并且只要某个用户改了该文件的数据, 其他用户也可以看到文件数据的变化.

基于索引结点的共享方式 ( 硬链接 )

删除 :

基于符号链的共享方式 ( 软连接 )

e.g.

windows下的快捷方式

文件保护

1. 口令保护 ( 口令放在系统中, 不太安全 )

2. 加密保护 ( 安全性高, 但加密 / 解密 需要耗费一定的时间

3. 访问控制

文件系统的层次结构

e.g.