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第九章 文件系统,9.1 文件系统的概念 9.1.1 引言,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,一、文件定义 1、文件是具有符号名的信息（数据）项的集合。 2、文件是具有符号名的记录的集合。,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,二、文件名 根据文件的定义，每个文件必须有一个唯一的文件名，不论是系统管理，还是用户使用文件都使用文件名。 文件名是一个有限长度的字符串。 DOS、WINDOWS系统中文件名： 文件名 .文件扩展名 文件名是一个不大于8个字符的字符串，但WINDOWS系统中允许超长文件名，最多可有256个字符，不区分英文字母的大小写。,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,文件扩展名： 不大于3个字符，一般用来表示文件的类型。 例如： C C语言源程序文件 COM 可执行文件（小模式） EXE 可执行文件（大模式） BAT 批处理文件 OBJ 目标文件 aa.txt ll.c ll.obj ll.exe 操作系统教学片91.ppt,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,三、文件的分类 教材讲了三种文件分类的方法： 按文件性质和用途分： 系统文件：指由系统软件构成的文件。大多数系统文件只允许用户调用，而不允许用户去读或修改。 程序库文件：指由系统提供给用户使用的各种标准过程、函数和应用程序等。这类文件允许用户调用，不允许用户修改。 用户文件：指用户委托文件系统保存的文件。如源程序、目标程序、原始数据等。这类文件只能由文件所有者或所有授权用户使用。,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,按文件保护级别分： 执行文件：允许授权用户调用执行，但不允许对它进行读写。 只读文件：允许所有者或授权用户对文件进行读，但不允许写。 读写文件：允许所有者或授权用户对文件进行读写，但禁止未授权用户读写。 不保护文件：指不加任何访问限制的文件。,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,按文件流向分： 输入文件：如键盘上的文件，只能读入。 输出文件：如打印机上的文件，只能写出。 输入输出文件：如磁盘、磁带上的文件，既可读又可写。,9.1 文件系统的概念 9.1.2 文件,四、文件的属性 文件属性反映文件的类型、存取控制等。,9.1 文件系统的概念 9.1.3 文件系统,文件系统是操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构，它是由管理文件所需的数据结构和相应的管理软件以及访问文件的一组操作组成。 从系统的角度看：文件系统是一个负责文件存储空间管理的机构。 从用户的角度看：文件系统是用户在计算机上存储信息和使用信息的接口，实现了按名存取。,9.1 文件系统的概念 9.1.3 文件系统,通用文件系统应具有以下功能： 1、提供用户对文件操作的命令； 2、提供用户共享文件的机制； 3、管理文件的存储介质； 4、提供文件的存取控制的机制，保障文件及文件系统的安全性； 5、提供文件及文件系统的备份和恢复功能； 6、提供对文件的加密和解密功能。,9.2 文件的逻辑组织与存取方法 9.2.1 文件的组织,可以用两种不同的观点去进行研究文件结构 用户观点: 是研究用户“思维”中的抽象文件，或称逻辑文件，其研究的侧重点在于为用户提供一种逻辑结构清晰、使用简便的逻辑文件形式。用户将按照这种形式去存储、检索和加工有关文件中的信息。 实现观点: 是研究驻留在设备“介质”中的实际文件，或称物理文件。它研究的侧重点是选择一些工作性能良好、设备利用率高的物理文件形式。系统将按照这种形式同外部设备打交道并控制信息的传输。,9.2 文件的逻辑组织与存取方法 9.2.1 文件的组织,文件的组织： 文件的逻辑结构： 文件的逻辑结构是指用户思维中文件的结构。 文件的物理结构： 文件的物理结构是指文件在存储介质上的结构（或称组织）。文件的存储介质是磁盘，包括软盘、硬盘和光盘、磁带，早期还有磁鼓。由于磁带是模拟磁盘的结构，所以文件的物理结构主要是指磁盘上文件的结构。,9.2 文件的逻辑组织与存取方法 9.2.2 文件的逻辑结构和存取方法,一、文件的逻辑结构 文件的逻辑结构： 无结构文件流式文件 结构文件记录式文件。 1、流式文件 无结构的流式文件是相关的有序字符的集合。文件的长度为所含字符数。 UNIX、DOS、WINDOWS系统中的普通文件都是流式文件。,9.2 文件的逻辑组织与存取方法 9.2.2 文件的逻辑结构和存取方法,2、记录式文件 记录式文件是一种结构式文件，文件是记录的集合。每个记录由彼此相关的域构成。记录可按顺序编号为记录1，记录2，记录n。如果文件中所有记录的长度都相同，则这种文件为定长记录文件。 定长记录文件的长度 = 记录个数x记录长度。 变长记录文件的长度为各记录长度之和。 例如:学生登记表文件 xsdjb.dbf 姓名 学号 籍贯 通信地址 邮政编码 李铭 925678 武昌 武昌关山街125号 430074 司马乐 925679 北京 北京海军路88号 100034,9.2 文件的逻辑组织与存取方法 9.2.2 文件的逻辑结构和存取方法,3、两种文件的比较 流式文件就象给一张白纸给用户，用户可将他的信息任意地写到纸上，没有任何格式上的限制。 记录式文件就象给一张表格给用户，用户要按表规定的格式填信息。 显然，结构式文件对用户的限制很大，使用起来就不方便。,9.2 文件的逻辑组织与存取方法 9.2.2 文件的逻辑结构和存取方法,二、存取方法 顺序存取： 按照文件信息的逻辑顺序依次存取。后一次存取总是在前次存取的基础上进行的。每次存取不必给出存取开始的位置。 随机存取（直接存取）： 根据记录的编号来直接存取文件中的任意一个记录，而无需存取其前面的记录，每次存取操作都要指定存取操作的开始位置。也可以根据存取命令把读写指针移到欲读写信息处。,9.3 文件的物理结构,一个文件存储介质，格式化后就分成许多大小相等的单位存储块（物理盘块），在现代计算机系统中，一般来说，每个物理块是一个磁盘的扇区，512字节。并给每个存储块有个编号，称为物理块号。 文件的物理结构指文件在存储介质上的结构，目前有三种基本结构，即： 连续文件结构（连续区分配） 串联文件结构（链接块方式） 索引文件结构（索引式）,9.3 文件的物理结构 9.3.1 连续文件,9.3 文件的物理结构 9.3.1 连续文件,评价： 优点：结构简单，实现容易，不需要额外的开销。 缺点：用户创建文件时要给出文件的大小； 不利于文件的动态增加和修改； 连续文件是一种连续结构的文件，对每个文件 要求存放在存储介质上的连续的物理块中，存 储空间利用率不高。类似于存储管理中的分区 适用于变化不大的顺序访问的文件。,9.3 文件的物理结构 9.3.2 串联文件,一个串联文件结构是按顺序由串联的块组成的，即文件的信息按存储介质的物理特性存于若干块中。 每个物理块的最末一个字(或第一个字)作为链接字，它指出后继块的物理地址。链首指针存放在该文件目录中。文件的结尾块的指针为“”。 这种文件结构不要求连续存放。 对于记录式文件一块中可包含一个逻辑记录或多个逻辑记录，也可以若干物理块包含一个逻辑记录。,9.3 文件的物理结构 9.3.2 串联文件,9.3 文件的物理结构 9.3.2 串联文件,评价： 1.存储空间利用率高； 2.文件创建时用户不必指出文件的大小； 3.文件动态扩充和修改容易。 4.顺序存取效率高，随机（直接）存取效率太低，如果访问文件的最后的内容，实际上是要访问整个文件。 类似于存储管理中的页式,9.3 文件的物理结构 9.3.3 随机文件,随机文件结构是另一种形式的非连续文件，文件数据存放在存储介质上的物理块号与文件的逻辑块号一一对应，并建立这样对应关系的数据结构文件索引表。 访问文件时，根据文件的逻辑块号查文件索引表，找到对应的物理块号，然后，进行访问。 随机文件有三种形式的结构：直接地址结构、索引结构、计算寻址结构。 索引结构是当代计算机操作系统中普遍采用的结构。,9.3 文件的物理结构 9.3.3 随机文件,直接地址结构：用户必须知道每个记录的具体地址，那么就可直接使用这个地址进行存取。 索引结构（索引文件）：为能随机访问文件的任何一部分，构造索引文件。 计算寻址结构（Hash文件、散列文件）：记录的关键字经过某种计算处理，转换成相应的地址。用以标识记录的关键字与记录地址之间存在的直接关系来实现记录的存取。,9.3 文件的物理结构 9.3.4 索引文件,索引文件结构 这种文件结构的数据结构是文件的索引表，每个文件有一个索引表，表中每个表目包括：逻辑块号，物理块号。 索引表位置：文件目录中，文件的开头等。 索引表大小:固定大小，非固定大小。,9.3 文件的物理结构 9.3.4 索引文件,UNIX系统采用索引文件结构，UNIX系统采用多级间接索引结构，对小型文件采用直接索引，对大型文件采用间接索引，从而，既保证绝大多数的文件有高的存取效率，又能适应存取一些大型文件。（既保证了文件系统的高效率，又使其有很宽的适应面）。,在结构中的索引表有个表目， 前10个表目存放文件数据块的地址，采用直接索引；如果文件的长度超过10个数据块; 第11个表目登记的是一次间接索引块的物理块号，该块存放索引表，而不是文件的内容，采用一次间接索引； 第12个表目登记二次间接索引块的物理块号，该块存放二次间接索引表，每个表目中登记的是一次间索引表的物理块号；,第13个表目登记的是三次间接索引块的物理块号，该块存放三次间接索引表，每个表目中登记的是存放二次间接索引表的物理块号。 这种结构对于小于等于10个物理块的文件采用直接索引，可从结构的索引表中直接取到文件数据块的物理块号，不需要进行任何转换和计算，加快文件存取的速度，提高文件系统的使用效率；对于一些大型文件或巨型文件，系统采用间接索引的方法也可以方便的管理和使用，只不过要付出些代价。因此，不论是几仍至几个字节的文件，还是几十、甚至更大的文件都能存在于系统中。,系统中采用这种方法主要是照顾小型文件，保证对小型文件的存取高效快速，同时又兼顾大型文件和巨型文件。这与系统的环境有关，系统的设计者提供以下的统计资料说明他采用这种结构的理由。其统计资料说：在系统的环境下，小于个物理块的文件约占所有使用文件的，其它文件约占，其中巨型文件不到。在实际应用中的文件大小的分布情况与这个统计结果是相符的。,9.3 文件的物理结构 9.3.5 文件物理结构的比较,连续文件的优点是不需要额外的空间开销，只要在文件目录中指出文件的大小和首块的块号即可，对顺序的访问效率很高。适应于顺序存取。还可以根据文件起始地址及记录长度进行随机存取。缺点是动态地增长和缩小系统开销很大；文件创建时要求用户提供文件的大小；存储空间浪费较大。 串联文件克服了连续文件的不足之处，但串联文件只能按照文件的指针链顺序访问，因而查找效率低。另外指针信息的存放也要消耗一定数量的外存空间。适应于顺序访问的文件。,9.3 文件的物理结构 9.3.5 文件物理结构的比较,索引文件既适应于顺序存取访问，也适应于随机访问，是一种比较好的文件物理结构，但要有用于索引表的空间开销和文件索引的时间开销。,例：假定盘块的大小为1KB，每个盘块号占4B，文件索引节点中的磁盘地址明细表如图所示，如何将下列文件的字节偏移量转换为物理地址？ （1）9000； （2）14000；（3）350000。,UNIX系统将文件的字节偏移量转换为物理块号的过程分两步实现： 一、将字节偏移量转换为文件逻辑块号及块内偏移量； 二、把逻辑块号转换为文件的物理块号。,具体转换方法： 1、文件的逻辑块号=字节偏移量/盘块大小 2、块内位移=字节偏移量 MOD 盘块大小 3、查索引表得出对应的物理块号 (1)若逻辑块号10,则为直接块; (2)若10逻辑块号266,则为一次间接寻址; (3)若266逻辑块号65802,则为二次间接寻址; (4)若65802逻辑块号,则为三次间接寻址; 将文件的逻辑块号转换为索引节点的地址下标，该地址项中即可获得物理盘块号，该块中的块内位移处即为所求。,解： （1）字节偏移量为9000B 逻辑块号=字节偏移量/盘块大小 =9000/1024=8 块内位移=字节偏移量 MOD 盘块大小 =9000 MOD 1024=808 B 逻辑块号10，则该块为直接块。查图可知，其物理盘块号为367，该块中的第808字节即为文件的第9000字节。,解： （2）字节偏移量为14000B 逻辑块号=字节偏移量/盘块大小 =14000/1024=13 块内位移=字节偏移量 MOD 盘块大小 =14000 MOD 1024=688 B 1013266，则该块为一次间接块。查索引表可知，一次间接的盘块号为428，从一次间接块中读出盘块号表，其物理盘块号为952，该块中的第688字节即为文件的第14000字节。,解： （3）字节偏移量为350000B 逻辑块号=字节偏移量/盘块大小 =350000/1024=341 块内位移=字节偏移量 MOD 盘块大小 =350000 MOD 1024=816 B 26634165802，则该块为二次间接块。查索引表可知，二次间接的盘块号为9156，由于一个一次间接块中可容纳256个块号，341-266=75。因此字节偏移量350000B在二次间接块的第0个一次间接块的第75个表项中，其物理盘块号为333，该块中的第816字节即为文件的第350000字节。,9.4 文件存储空间管理,教材上讲了几种文件存储空间管理的方法： 空闲文件目录 空闲块链 位示图,9.4 文件存储空间管理,空闲文件目录：该管理方法是将文件存储设备上的每个连续空闲区看作一个空闲文件。系统为所有空闲文件单独建立一个目录，每个空闲文件在这个目录中占一个表项，表项的内容包括第一个空白块的物理块号、空闲块的数目。,9.4 文件存储空间管理,当请求分配存储空间时，系统依次扫描空闲文件目录表项，直到找着一个合适的空闲文件为止。当用户撤消一个文件时，系统回收该文件所占用的空间，这时也需要顺序扫描空闲文件目录，寻找一个空表项，并将释放空间的第一个物理块号及它所占的块数填写到这个表项中。 仅当文件存储空间中只有少量空闲区时，这种方法才有较好的效果，如果存储空间中有大量小的空闲区，则空闲文件目录将变得很大，因而效率会大大降低。这种管理技术适用于连续文件。,9.4 文件存储空间管理,空闲块链： 这种管理方法是将文件存储设备上的所有空闲块链接在一起，并设置一个头指针指向空闲块链的第一个物理块。 当用户建立文件时，就按需要从链首依次取下几个空闲块分配给文件。当撤消文件时，则回收其存储空间，并将回收的空闲块依次链入空闲块链中。这种方法的优点是实现简单，但工作效率低，因为每当在空闲块链上增加或移去空闲块时都需要对空闲块链做较大的调整，这必然需要较大的系统开销。,9.4 文件存储空间管理,位示图：这种方法是为文件存储空间建立一张位示图，以反映整个存储空间的分配情况。在位示图中，每一个二地制位都对应一个物理块，当某位为1时表示该块已分配，当某位为0时表示该块空闲。 当请求分配存储空间时，系统顺序扫描位示图并按需要从中找出一组值为0的二进制位，再经过简单的换算就可以得到相应的磁盘块地址，再将这些位置为1。当回收存储空间时，只要将位示图中的相应位清0。因文件存储空间大小一定，故位示图的尺寸是固定的，它通常比较小，可以保存在内存中，这就使空间的分配与回收较快。但这种方法在实现时，需要进行位示图中二进制所在位置与磁盘块号之间的转换。,9.5 文件目录 9.5.1 文件目录及内容,文件控制块 用户对文件是“按名存取”的，所以用户首先要创建文件，并为它命名。以后对该文件的读、写及其它的操作都要用到文件名。 为了便于对文件进行控制和管理，在文件系统内部，给每个文件唯一设置一个文件控制块（FCB）。,9.5 文件目录 9.5.1 文件目录及内容,文件控制块所包含内容： 1.文件名 2.文件的大小，单位：字节 3.文件在物理存储介质中的位置。取决于文件的物理结构。 对于连续文件：文件起始块号（即文件的第一个物理块号）； 对于串联文件：指向第一个物理块的指针； 对于索引文件：索引表。 4.存取控制信息：文件主和其它用户对该文件的访问权限。 5.管理信息：包含文件创建的日