第四章文件管理
0.初识文件管理
一个文件有哪些属性?
文件名:由创建文件的用户决定文件名，主要是为了方便用户找到文件，同一目录下不允许有重名文件。
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。
类型:指明文件的类型
位置:文件存放的路径（让用户使用）、在外存中的地址(操作系统使用，对用户不可见)
大小:指明文件大小
创建时间、上次修改时间文件所有者信息
保护信息:对文件进行保护的访问控制信息
文件共享:使多个用户可以共享使用一个文件
文件保护:如何保证不同的用户对文件有不同的操作权限
1.文件的逻辑结构
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”。如:Windows操作系统中的.txt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（作为识别不同记录的ID)
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。
顺序文件
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
索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第i个记录对应的索引项。
可将关键字作为索引号内容，若按关键字顺序排列，则还可以支持按照关键字折半查找。
每当要增加/删除一个记录时，需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度，因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合。
另外，可以用不同的数据项建立多个索引表。如:学生信息表中，可用关键字“学号”建立一张索引表。也可用“姓名”建立一张索引表。这样就可以根据“姓名”快速地检索文件了。( Eg: SQL就支持根据某个数据项建立索引的功能)
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:并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。
2.文件目录
文件控制块
FCB的有序集合称为“文件目录”，一个FCB就是一个文件目录项。FCB中包含了文件的基本信息（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）。
需要对目录进行哪些操作?
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
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
删除文件:当删除一个文件时，需要在目录中删除相应的目录项
显示目录:用户可以请求显示目录的内容，如显示该目录中的所有文件及相应属性
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)
单机单级目录
早期操作系统并不支持多级目录，整个系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。
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。
显然，单级目录结构不适用于多用户操作系统。
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（MFD，Master File Directory〉和用户文件目录(UFD,User Flie Directory） 。
多级目录结构
用户（或用户进程）要访问某个文件时要用文件路径名标识文件，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。
例如，此时已经打开了“照片”的目录文件，也就是说，这张目录表已调入内存，那么可以把它设置为“当前目录”。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”。
可见，引入“当前目录”和“相对路径”后，磁盘I/O的次数减少了。这就提升了访问文件的效率。
树形目录结构可以很方便地对文件进行分类，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，树形结构不便于实现文件的共享。为此，提出了“无环图目录结构”。
无环图目录结构
可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录（共享同一目录下的所有内容)。
需要为每个共享结点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该结点。用户提出删除结点的请求时，只是删除该用户的FCB、并使共享计数器减1，并不会直接删除共享结点。
只有共享计数器减为0时，才删除结点。
注意:共享文件不同于复制文件。在共享文件中，由于各用户指向的是同一个文件，因此只要其中一个用户修改了文件数据，那么所有用户都可以看到文件数据的变化。
索引结点
存放在外存中的索引结点称为“磁盘索引结点”，当索引结点放入内存后称为“内存索引结点”。
相比之下内存索引结点中需要增加一些信息，比如:文件是否被修改、此时有几个进程正在访问该文件等。
3.文件的物理结构
在内存管理中，进程的逻辑地址空间被分为一个一个页面
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一个的文件“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。
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。
用户给出要访问的逻辑块号，操作系统找到该文件对应的目录项(FCB）
物理块号=起始块号＋逻辑块号
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（即随机访问)。
读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。
结论:连续分配的文件在顺序读/写时速度最快
结论:物理上采用连续分配的文件不方便拓展。
结论: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
可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。
优点:支持顺序访问和直接访问（即随机访问)﹔连续分配的文件在顺序访问时速度最快
缺点:不方便文件拓展;存储空间利用率低，会产生磁盘碎片
链接分配
隐式链接
用户给出要访问的逻辑块号i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB） ....
从目录项中找到起始块号（即o号块），将0号逻辑块读入内存，由此知道1号逻辑块存放的物理块号，于是读入1号逻辑块，再找到2号逻辑块的存放位置.....以此类推。
因此，读入i号逻辑块，总共需要i+1次磁盘l/O。
结论:采用链式分配（隐式链接）方式的文件，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低。另外，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
结论: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。
显示链接
注意:一个磁盘仅设置一张FAT。开机时，将FAT读入内存，并常驻内存。FAT的各个表项在物理上连续存储，且每一个表项长度相同，因此“物理块号”字段可以是隐含的。
从目录项中找到起始块号，若i>0，则查询内存中的文件分配表FAT.往后找到i号逻辑块对应的物理块号。逻辑块号转换成物理块亏的过程不需要读磁盘操作。
结论:采用链式分配（显式链接）方式的文件，支持顺序访问，也支持随机访问（想访问i号逻辑块时，并不需要依次访问之前的0~ i-1号逻辑块)，由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。
显然，显式链接也不会产生外部碎片，也可以很方便地对文件进行拓展。
索引分配
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（索引表的功能类似于内存管理中的页表――建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。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。
可见，索引分配方式可以支持随机访问。文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可)但是索引表需要占用一定的存储空间
①链接方案:如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。
②多层索引:建立多层索引（原理类似于多级页表)。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。
采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要K+1次读磁盘操作
③混合索引:多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表)、还包含两级间接索引（指向两层索引表)。
超级超级超级重要考点:①要会根据多层索引、混合索引的结构计算出文件的最大长度（Key:各级索引表最大不能超过一个块)﹔②要能自己分析访问某个数据块所需要的读磁盘次数（Key:FCB中会存有指向顶级索引块的指针，因此可以根据FCB读入顶级索引块。每次读入下一级的索引块都需要一次读磁盘操作。另外，要注意题目条件――顶级索引块是否已调入内存)
4.逻辑结构VS物理结构
5.文件存储空间管理
空闲表法
适用于连续分配方式”
如何分配磁盘块:与内存管理中的动态分区分配很类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间。
如何回收磁盘块:与内存管理中的动态分区分配很类似，当回收某个存储区时需要有四种情况――①回收区的前后都没有相邻空闲区;②回收区的前后都是空闲区;③回收区前面是空闲区;④回收区后面是空闲区。总之，回收时需要注意表项的合并问题。
空闲链表法
空闲盘块链：
操作系统保存着链头、链尾指针。
如何分配:若某文件申请K个盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。
如何回收:回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。
适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作
空闲盘区链：
操作系统保存着链头、链尾指针。
如何分配:若某文件申请K个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。
如何回收:若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。
离散分配、连续分配都适用。为一个文件分配多个盘块时效率更高
位示图法
位示图:每个二进制位对应一个盘块。在本例中，“0”代表盘块空闲，“1”代表盘块已分配。
如何分配:若文件需要K个块，①顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的“0”;②根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件;③将相应位设置为“1”。
如何回收:①根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号;②将相应二进制位设为“0”
成组链接法
空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统，因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。
文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致“。
6.文件的基本操作
创建文件
操作系统在处理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（结合上小节学习的空闲链表法、位示图、成组链接法等管理策略，找到空闲空间)
2．根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件（此处就是D:/Demo目录），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
操作系统在处理Delete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。
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。(回收磁盘块时，根据空闲表法、空闲链表法、位图法等管理策略的不同，需要做不同的处理)
3．从目录表中删除文件对应的目录项。
打开文件
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表的编号来指明要操作的文件。
关闭文件
读文件
写文件
7.文件共享
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。
如果是多个用户都“复制”了同一个文件，那么系统中会有“好几份”文件数据。其中一个用户修改了自己的那份文件数据，对其他用户的文件数据并没有影响。
基于索引结点的共享方式（硬链接)
基于符号链的共享方式(软链接)
8.文件保护
口令保护
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。
缺点:正确的“口令”存放在系统内部，不够安全。
加密保护
优点:保密性强，不需要在系统中存储“密码”
缺点:编码/译码，或者说加密/解密要花费一定时间。
访问控制
在每个文件的FCB（或索引结点）中增加一个访问控制列表（Access-Control List,ACL)，该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。
9.文件系统的层次结构
用一个例子来辅助记忆文件系统的层次结构:
假设某用户请求删除文件“D:/工作目录/学生信息..xlsx”的最后100条记录。
1.用户需要通过操作系统提供的接口发出上述请求――用户接口
2．由于用户提供的是文件的存放路径，因此需要操作系统一层一层地查找目录，找到对应的目录项―一文件目录系统
3．不同的用户对文件有不同的操作权限，因此为了保证安全，需要检查用户是否有访问权限――存取控制模块（存取控制验证层)
4．验证了用户的访问权限之后，需要把用户提供的“记录号”转变为对应的逻辑地址――逻辑文件系统与文件信息缓冲区
5．知道了目标记录对应的逻辑地址后，还需要转换成实际的物理地址――物理文件系统
6．要删除这条记录，必定要对磁盘设备发出请求――设备管理程序模块
7.删除这些记录后，会有一些盘块空闲，因此要将这些空闲盘块回收――辅助分配模块
10.文件系统的全局结构（布局）
文件系统在外存中的结构
物理格式化，即低级格式化――划分扇区，检测坏扇区，并用备用扇区替换坏扇区。
逻辑格式化后，磁盘分区（分卷Volume），完成各分区的文件系统初始化
注:逻辑格式化后，灰色部分就有实际数据了，白色部分还没有数据
文件系统在内存中的结构
11.虚拟文件系统
普通的文件系统
虚拟文件系统
虚拟文件系统的特点:
①向上层用户进程提供统一标准的系统调用接口，屏蔽底层具体文件系统的实现差异
②VFS要求下层的文件系统必须实现某些规定的函数功能，如: open/read/write。一个新的文件系统想要在某操作系统上被使用，就必须满足该操作系统VFS的要求。
③每打开一个文件，VFS就在主存中新建一个vnode，用统一的数据结构表示文件，无论该文件存储在哪个文件系统。
注意:vnode只存在于主存中，而inode 既会被调入主存，也会在外存中存储
