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第四章文件系统,文件系统存在的原因在于系统要求对数据进行长期的存储。 （1）可以存储大量信息 （2）在使用信息时，信息要存在 （3）必须能使多个进程并发存取有关信息 解决的方法是采用文件的形式来管理信息。主要包括对文件的操作，如何分配存储空间，及相应的保护机制。 处理文件的操作系统的部分称为文件系统（File System）。,4.1 文件 （1）域：是数据的基本单位。有自己的长度和数据类型。在不同的文件系统中，域可以是定长的，也可以是变长的。 （2）记录：是相关域的集合。记录也可以是定长的，也可以是变长的。 （3）文件：是具有名字的一组相关记录的集合。 文件是一个单独的实体，也可以创建和删除。对于访问的控制和限制通常是文件级的。在复杂的系统中，对访问的控制和限制也可以是记录级或域级的。,4.1.1 文件命名 文件命名是管理文件的有效形式。当进程创建文件时给出文件名，在进程终止之后，文件名依然存在，其它进程可以通过这个文件名对文件进行存取。 文件的具体命名规则在不同的系统中是不同的。 很多的操作系统都采用圆点隔开的两部分的文件名。圆点后的部分称为扩展名，表示文件的一些信息。扩展名只是一些约定，并没有强迫采用。,4.1.2 文件结构 文件结构通常有三种方式：字节序列、记录序列、树。 在字节序列中操作系统并不关心文件的内容，它的任何含义都可以由用户进程来解释。在UNIX和MS-DOS中采用这种方法。这种方法的特点是灵活，缺点是操作系统不能、提供任何形式的帮助。 在记录序列中文件是具有一定长度的记录的序列，每个记录都有它的内部结构。记录是文件增加、删除、修改的单位。记录的长度是相等的。这种方法在早期的计算机系统中。 在树结构中，文件由一棵记录树构成，每个记录的长度可以不相等，记录的固定位置上有关键字段，记录按关键字段排序，可以实现快速查找。主要用于现代的商业系统。,4.1.3 文件类型 文件类型有很多种。例如UNIX和MS-DOS中有普通文件、目录文件、字符特殊文件、块特殊文件。 在普通文件中包含用户要存储的信息，是本章的重点。 在目录文件中保存磁盘文件系统结构，是系统文件。 在字符特殊设备中管理和设备的输入输出。 使用块特殊文件用于表示磁盘。 普通文件是ASCII文件或者二进制文件。 ASCII文件由多行正文组成，可以显示和打印。可以用通用的文本编辑器进行编辑。 二进制文件不用于显示和打印，有一定的内部结构。,4.1.4 文件存取 文件存取类型有顺序存取、随机存取。 顺序存取指用户只能从开始的地方顺序读文件的所有记录，不能跳过一些内容。主要用于磁带设备。 随机存取指可以按任何次序读取记录。如按照关键字来进行读取。主要用于磁盘设备。 4.1.5 文件属性 操作系统为管理文件为文件保存文件属性。 文件属性在不同的操作系统中有很大的差别。 保护、口令、创建者、所有者等属性（文件保护） 各种标志（如只读、隐藏、系统、存档） 记录长度、关键字位置、关键字长度（查找） 文件的创立时间、最近访问时间、最近修改时间 文件的长度,4.1.6 文件操作 CREATE：创建没有数据的文件，并设置文件属性。 DELETE：删除文件，释放磁盘空间。 OPEN：使用文件之前必须打开文件。用于把文件属性和磁盘地址表装入内存。 CLOSE：不再使用文件时，关闭文件释放文件属性和磁盘地址表占用的空间。 READ：从文件的当前位置中读取数据。应指明读取的长度和存放数据的缓冲区。 WRITE：对文件写数据。如果当前位置是文件末尾，则文件长度增加。如果不是，则覆盖现有数据。 APPEND：在文件的末尾增加数据。,SEEK：定位当前位置指针到指定位置。 GET ATTRIBUTES：读取文件属性。 SET ATTRIBUTES：设置文件属性。 RENAME：重命名文件。 4.1.7 存储映像文件 为了减少从磁盘上访问文件的不方便，一些系统提供一种将文件映像到一个正在运行的进程的地址空间中。 用两个系统调用MAP和UNMAP来实现。前者给出一个文件名和一个虚拟地址，从而使操作系统把文件映像到虚拟地址指定的地址空间。 当进程结束时，将地址空间的内容写回磁盘。,这种方法的缺点是： （1）在页式管理中，无法知道一个文件的实际长度。 （2）当多个进程同时调用一个文件并修改文件的内容时，有可能造成文件的映像的不一致性。 （3）文件有可能很大，甚至大于整个虚拟地址空间的大小。这时需要只映像文件的一个局部，而不是整个文件，造成很大的复杂性。 4.2 目录 4.2.1 层次目录结构 通常一个目录包含很多项，称为目录项。每个目录项代表一个文件。 在打开文件时系统先查找目录，直到找到要打开文件的文件名。然后从目录项中得到文件的属性和磁盘地址，放到内存相应的表中。,文件目录在实现时，不同的系统采用不同的方法。要找到一个文件，就要先找到这个文件所对应的目录项，这就需要目录文件中顺序查找。 这个查找过程是在内存中实现的。一种方法是把目录文件调入内存中，按名字来顺序比较，直到找到这个文件的目录项为止。这时，如果文件很少，目录文件很小，则容易实现；当文件很多时，目录文件很长，占用大量内存空间，而每次比较时只用文件名，其它信息都要等这个文件的目录项找到后才会关心。 所以一些系统采用索引节点的方法。把文件的描述信息单独形成一个称为索引节点的数据结构，简称为i节点；而文件目录中的每个目录项中只有文件名和指向该文件i节点的指针。这样，为找到一个文件，节省了平均启动磁盘的次数，提高了效率。,目录的实现方法有三种。 （1）单级目录结构： 单级目录结构是最简单的目录结构。在整个系统中建立一张目录表，为每个文件分配一个目录项。在查找一个文件时，顺序查找目录文件，直到找到为止；当要创建一个文件时，从目录中先看是否有相同的文件名，如果没有，则找一个空闲目录项，把它放到目录文件中。这时，所有用户共享这个目录。这会导致用户在命名时不重名。而这在多用户情况下，带来许多不便。且这种目录查找速度慢。,（3）树型目录结构 在两级目录中，如果有一个用户有很多的文件，则在自己的UFD中，仍有混乱的问题。他们希望能按一定的逻辑结构来组织自己的文件。这就形成树型目录结构。这时用户可以拥有自己的子目录去区分不同的文件。,4.2.2 路径名 在树型目录结构中，从根目录到任何一个文件之间只有一条唯一的通路。从根目录开始，把这条通路上所有的目录名和文件名顺序写出，中间用/分隔，称为绝对路径名。 用户可以设定一个目录为工作目录，这时，所有的路径名都是从工作目录开始的。 从工作目录开始，而不是从根目录开始的路径名为相对路径名。 层次目录中一般都支持两个特殊的目录项：“.”和“”。其中“.”指当前目录，“”指父目录。,4.2.3 目录操作 CREATE（创立目录） DELETE（删除目录） OPENDIR（允许读取目录） CLOSEDIR（读目录结束后关闭目录来释放内存空间） READDIR（返回下一层目录） RENAME（更换目录名称） LINK（共享文件） UNLINK（删除连接共享文件）,4.3 文件系统的实现 4.3.1 实现文件 4.3.1.1 连续分配方法 这种方法是将文件作为连续的数据块存储在磁盘上。因为文件是连续分配的，所以只需要记录文件的开始盘块和文件的长度。 这种方法有外部碎片，需要用紧凑来得到大的空闲空间。由于文件的大小必须在文件创立时提出，所以在估计不好时，会导致估计过大，从而导致浪费空间。,4.3.1.2 链表分配 在链式分配中，分配是以块为基础的。每块有自己的指向链中下一块的指针。只要记录开始块和块的长度。这是一种动态分配策略。如果想扩大文件空间，只要在链尾加入一块就可以了。这种方法没有外部碎片，适合于顺序文件的顺序处理。 缺点在于数据分散，读文件时不能保证一次读的都是有用的块。用合并的方法来解决这个问题。,4.3.1.3 采用索引的链表分配 每个文件建立索引，保存文件各个块所存储的磁盘块的顺序。 也可以将链表分配中的指针统一放到内存中的一个内存表中。内存表以物理块为索引，显示下一个物理块的块号。目录项中只需要记录文件的起始块号就可以找到文件的全部块。,4.3.1.4 I节点 开始几个磁盘地址存储在I节点中，对于小文件所有信息都在 I节点中。稍大些的文件，用一级间接块地址；如果还不够用，就用二级间接块的地址；如果还不够用，就用三级间接块的地址。 UNIX系统中采用这种方法。,4.3.2 实现目录 4.3.2.1 MS-DOS中的目录 MS-DOS中的目录项由32个字节组成。其中包括文件名、文件属性、第一个磁盘块的块号，它是指向内存表的索引。 4.3.2.2 UNIX中的目录 UNIX中的目录很简单，由文件名和I 节点号组成。文件的所有属性都放在I节点中。,(1) 基于索引节点的共享方式 在树型目录结构中，当有两个或多个用户要共享一个子目录或文件时，必须将共享文件或子目录链接到这个文件或目录。这时的目录结构，已经不是树型结构，而是个有向非循环图。,4.3.3 共享目录 现代计算机系统中，有大量的文件，必须提供文件共享的功能。使系统中只保存一个文件的副本，而不需要所有的用户都拥有这个文件的副本。 用户可以为文件设置不同的共享方法。在树型目录中常用的共享方法有：,这种方法的缺点在于：共享文件的所有者是C，并不是B。共享并不改变拥有的关系。这时，共享文件的I节点有一个连接记数加1来表示目前有多少个目录指向这个文件。 当C要删除这个文件时，系统如果删除文件，会导致B指向一个不存在的I节点。 这时通过记数只能知道有人在用这个文件，但不知道谁在用这个文件，所以不能删除所有目录中指向这个文件的连接。 这时只能删除C与文件的连接，不删除I节点，并将记数减1。这会让B指向文件，而文件的所有者是C。B使用文件，而C付钱。,(2) 利用符号链实现文件共享 利用文件符号链实现共享文件的方法是由系统创建一个LINK文件，将要共享的文件写入请求者的目录中，实现共享链接。这时，?文件是A的文件，C通过LINK文件共享?文件。LINK文件中只包含被链接的文件的路径名。这种方法是通过符号链来进行链接，实现对文件的共享。 这种方法的缺点在于：要浪费空间来存储LINK文件。,4.3.4 磁盘空间管理 4.3.4.1 块大小 块的大小影响系统的效率和磁盘的利用率。块是磁盘存储的基本单位。 块大，则内部碎片大。块小，读取磁盘的效速降低。,磁盘访问时间主要分为以下几个部分： 寻道时间Ts：指把磁头从当前位置移到指定的磁道上所用的时间。这时间是启动时间S和移动几条磁道所用的时间之和。Ts=mxn+S（其中m是一个常数，与磁盘驱动器的速度有关。一般m=0.3ms；s=20ms。好一些的m=0.1ms；s=3ms。） 转动时间Tr：指找到指定扇区的时间。硬盘的转速一般为3600r/min，每转用时16.7ms，平均转动延迟为8.3ms。软盘的转速为300到600r/min，则每转用时200到100ms。 传送时间Tt：指把数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间。它与每次读/写的字节数B和旋转速度R，及每条磁道上的字节数N有关：Tt=B/(RN),下面看如何计算平均磁盘访问时间。假设有一个典型的系统，磁盘的平均寻道时间是20ms，传输率是1MB/S。每个磁道32个扇区，每个扇区512字节。平均转动延迟是8.3ms。假设读一个文件，这个文件由256个扇区组成。请在连续存储和不连续存储的情况下估算磁盘访问时间。 如果是连续存放，则读一个磁道的时间是：Ts=20ms；Tr=8.3ms；读一个磁道数据的时间=32X512/（1MB/S）=15.6ms。256个扇区共占8个磁道。假设读其余的磁道仍然有转动延迟，则读完8个磁道的时间是：20