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大学操作系统原理与实践-柯敏毅-课件PPT,大学,操作系统,原理,实践,柯敏毅,课件,ppt
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操作系统原理与实践,主编 柯敏毅 李浩 中国水利水电出版社,第6章 文件管理,6.1 文件与文件系统 6.2 文件的逻辑结构 6.3 文件的物理结构 6.4 文件目录 6.5 文件和目录的操作 6.6 文件系统的实现 6.7 文件的共享与保护 6.8 文件的完整性 6.9 外存空间的管理 6.10 磁盘组织与管理,开 始,本章学习目标,文件、文件控制块、文件系统、文件目录、目录项、索引节点、文件共享等基本概念及文件的分类 文件的两种逻辑结构及两种存取方法 文件的三种物理结构：连续结构、链接结构及索引结构 四种目录结构：单级、两级、多级和非循环图形目录结构 文件的共享方法和语义及文件保护 外存空间的管理方法 磁盘的组织和管理,返回本章首页,6.1 文件与文件系统,6.1.1 文件与文件系统的概念 6.1.2 文件的分类、属性及文件系统的功能,返回本章首页,6.1.1 文件与文件系统的概念,1文件的定义 文件是具有标识符（文件名）的一组相关信息的集合。标识符是用来标识文件的。不同的系统对标识符的规定有所不同。文件的确切定义有两种说法： （1）文件是具有标识符的相关字符流的集合。（2）文件是具有标识符的相关记录的集合。,下一页,2文件系统的定义 文件系统是操作系统中负责存取和管理文件信息的机构。它由管理文件所需的数据结构（如文件控制块，存储分配表等）和相应的管理软件以及访问文件的一组操作组成。,返回本节,6.1.2 文件的分类、属性及文件系统的功能,1文件的分类 2文件的属性 3文件系统的功能,下一页,1文件的分类 按文件的用途分类可分为以下三类。 （1）系统文件。 （2）用户文件 （3）库文件。 按文件中的数据形式分类 （1）源文件。 （2）目标文件。 （3）可执行文件。,下一页,l按操作保护分类 （1）只读文件。 （2）读写文件。 （3）执行文件,按文件的性质分类 （1）普通文件。 （2）目录文件。 （3）特殊文件。,下一页,2文件的属性,（1）文件类型。 （2）文件长度。 （3）文件的位置。 （4）文件的存取控制。 （5）文件的建立时间。,下一页,3文件系统的功能 （1）用户可执行创建、修改、删除读写文件的命令。 （2）用户能以合适的方式构造他的文件。 （3）用户能在系统的控制下，共享其他用户的文件。 （4）允许用户用符号名访问文件。 （5）系统应有转存和恢复文件的能力，以防止意外事故的发生。 （6）系统应提供可靠保护及保密措施。,返回本节,6.2 文件的逻辑结构,6.2.1 逻辑结构 6.2.2 存取方法,返回本章首页,6.2.1 逻辑结构,1有结构的文件 有结构的文件是指由若干个相关的记录构成的文件，又称记录式文件。 2无结构文件 无结构文件又称流式文件，组成流式文件的基本信息单位是字节或字，其长度是文件中所含字节的数目，如大量的源程序，库函数等采用的就是流式结构。,返回本节,6.2.2 存取方法,（1）顺序存取。顺序存取是最简单的方法。它严格按照文件信息单位排列的顺序依次存取，后一次存取总是在前一次存取的基础上进行，所以不必给出具体的存取位置。 （2）随机存取。随机存取又称直接存取，在存取时必须先确定进行存取时的起始位置（如记录号、字符序号等）。,返回本节,6.3 文件的物理结构,6.3.1 连续结构 6.3.2 链接结构 6.3.3 索引结构,返回本章首页,6.3.1 连续结构,图6.1 文件的连续结构,返回本节,6.3.2 链接结构,图6.2 文件的链接结构,返回本节,6.3.3 索引结构,图6.3 文件的索引结构,下一页,图6.4 文件的多重索引结构,返回本节,6.4 文件目录,6.4.1 文件控制块和索引节点 6.4.2 单级目录结构 6.4.3 二级目录结构 6.4.4 多级目录结构 6.4.5 非循环图形目录结构,返回本章首页,一般来说文件目录应具有以下几个功能： 1）实现“按名存取”。用户可以只需提供文件名，就对文件进行操作。这是文件目录管理的最基本的功能，也是文件系统向用户提供的最基本的服务。 2）提高对目录的检索速度。在设计文件系统时，要合理的设计目录结构，提高目录检索速度，从而加快文件的存取速度。对于大型文件系统来说，只是一个很重要的设计目标。 3）允许文件重名。为了方便多个用户对于不同文件取相同文件名，文件系统应允许不同文件使用相同名称。可通过不同工作目录解决。 4）允许文件共享。在多用户系统中，应允许多个用户共享一个文件，这样可以节省存储空间，也可方便用户共享资源。,6.4.1 文件控制块和索引节点,1、文件控制块 2、索引节点,1、文件控制块,为了能对一个文件进行正确的操作，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为文件控制块（FBC，File Control Block），文件和文件控制块是一一对应的，而文件控制块的有序集合称之为文件目录。,一般情形下文件控制块包括以下信息： 1）文件名。文件的标识符。 2）用户名。标识文件的生产者-用户。 3）文件的逻辑结构。对流式文件需说明文件的长度，对记录文件需说明记录是否定长、记录长度及个数等。 4）文件在辅存上的物理位置。对连续结构和链接结构的文件登记文件的起始物理块号和指向第一物理块的指针，对索引结构的文件登记文件的索引表地址。 5）文件建立修改日期及时间。登记文件建立或修改日期、时间。 6）文件的类型。指明文件的类型。 7）存取控制信息。指明用户对文件的存取权限。,2、索引节点,1）导入索引节点 2）磁盘索引节点 3）内存索引节点,1）导入索引节点 在文件系统中，目录文件通常存放在磁盘上，当有大量文件时，文件目录将占用大量的磁盘空间（也就是大量的磁盘块）。如果要查找一个文件，首先查找目录文件。查找目录文件的过程是：首先将存放目录的第一个磁盘块调入内存，然后用要查找的文件名与目录项中的文件名进行逐一比较，若没有找到指定文件，则将下一个存放目录的磁盘块调入内存查找，如此循环，直至找到指定文件或查询所有目录文件后结束。,在检索目录文件时，只用到了文件名，而其它信息并没有利用到。只有当指定文件名与目录项中的文件名相匹配的时，才需要从目录项中读取文件的物理位置等相关信息。因此在检索目录项时，并不需要把目录整个都调入内存。解决方案是，将文件名和文件描述信息分开，将文件描述信息单独形成一个称为索引节点的数据结构，简称i节点。文件目录中的每个目录项，仅由文件名和指向该文件所对应的i节点的指针构成。,2）磁盘索引节点。指存放在磁盘上的索引节点。每个文件都有惟一的一个磁盘索引节点，它主要包括以下内容： 文件类型 文件主标示符 文件存取权限 文件物理地址 文件大小 文件连接计数,3）内存索引节点。是指存放在内存的索引节点。当文件被打开时，要将磁盘索引节点复制到内存索引节点中，以便以后使用。 内存索引节点包括以下内容： 索引节点编号 索引节点状态 连接指针 访问计数 逻辑设备名,返回本节,6.4.2 单级目录结构,图6.8 单级目录结构,返回本节,6.4.3 二级目录结构,图6.9 二级目录结构,返回本节,6.4.4 多级目录结构,图6.7 多级目录结构,返回本节,1 . 多级目录结构,2 . 路径名 在多级目录结构中，从根目录到末端的数据文件之间只有一条唯一的路径。我们就可以用路径名惟一的表示一个文件。路径名有绝对路径名和相对路径名两种表达形式。 绝对路径名，又称为全路径名，是指从根目录到达所要查找文件的路径名。 相对路径名。在多级目录结构中，如果每次都从根目录开始检索，会耗费大量的查找时间。为解决此问题，系统引入了当前目录（又称为工作目录）。用户在一定时间内，可指定某一级的一个目录作为当前目录（或称工作目录、值班目录），而后用户想访问某一文件时，便不用给出文件的整个路径名，也不用从根目录开始查找，只需给出从当前目录到查找的文件间的路径名即可，从而减少查找路径。,6.4.5 非循环图形目录结构,多级目录结构的自然推广就是非循环图目录机构，如图6.8所示。它允许一个文件或目录存在于多个父目录中，但并不构成环路。,返回本节,6.5 文件和目录的操作,1对目录的操作 （1）创建目录。 （2）删除目录。 （3）文件检索。 （4）打开和关闭目录。,返回本章首页,2对文件的操作 （1）创建文件。 （2）删除文件。 （3）打开文件 （4）读文件 （5）写文件 （6）关闭文件,3对记录的操作 （1）读操作 （2）写操作 （3）查找。 （4）修改。 （5）插入 （6）删除。,返回本节,6.6 文件系统的实现,6.6.1 文件系统层次结构 6.6.2 文件实现 6.6.3 目录实现,返回本章首页,6.6.1 文件系统层次结构,文件系统本身通常由许多不同的层次构成，如图6.9所示的结构是一个分层设计的例子。系统中的每一层都利用底层的功能来创建新的功能，并为更高层服务。,图6.9分层设计的文件系统,返回本节,6.6.2 文件实现,1 . 连续分配 2 . 连接分配 3 . 索引分配 4 . i节点,1 . 连续分配,连续分配方案是最简单的磁盘空间分配策略，该方法要求为文件分配连续的磁盘区域。,连续分配方案的优点是：查找速度比其他方案快，目录中关于文件物理存储位置的信息比较简单，只需要起始块号和文件大小。 缺点是：容易产生碎片问题，并且在文件创建时必须知道文件的大小，才能创建文件。,2 . 连接分配,1）以扇区为单位的连接分配。按文件的要求分配若干个磁盘扇区，这些扇区在磁盘上可以不相连接，但属于同一文件的各扇区按文件记录的逻辑次序用连接指针连接起来。 连接分配的优点是消除了碎片问题。但是检索逻辑上的连续的记录时，查找时间较长，同时还要维护连接指针，存储连接指针。,2）以区段为单位分配。这是一种使用很广泛的分配策略，其实质是连续分配和非连续分配的结合。本分配策略不是以扇区为单位进行分配，而是以区段为单位进行分配。区段是由若干个连续扇区组成的。 此策略的优点是：对辅存的管理效率高，减少文件访问的查找时间。,3 . 索引分配,在索引分配策略中，系统为每个文件分配一个索引块，索引块中存放索引表，索引表中的每个表项对应分配给文件的一个物理块。,4 . i节点,最后一个磁盘分配策略是给每个文件赋予一张称为i-节点(索引节点)的小型表，其中列出了文件属性和各块在磁盘上的地址，实例如图6.13所示。,返回本节,6.6.3 目录实现,在哪存放文件属性就是我们必须关注的问题。一种较直接的方法是把文件属性直接存放在目录项中，而且许多系统也确实是这样实现的。图6.14中a图给出了简单示例说明。,几个实际目录实现实例,1 . CP/M目录,2 . MS-DOS目录,3 . UNIX目录,返回本节,6.7 文件的共享与保护,6.7.1 文件的共享 6.7.2 文件保护,返回本章首页,6.7.1 文件的共享,1 早期的文件共享方法 绕弯路法:绕弯路法是MULTICS操作系统采用过的方法。在该方法中，系统允许每个用户获得一个“当前目录”，用户对文件的访问都是相对于“当前目录”下的，可以通过“向上走”的方式去访问其上级目录，一般用“*”表示一个目录的父目录。 连接法 :一些系统为用户指定使用目录，用户要访问指定目录开始的子树 基本文件目录表法:将所有文件目录的内容分成两部分：一部分包括文件的物理块号、结构信息、存取控制和管理信息等，并由系统赋予惟一的内部标识符来标识；另一部分由用户给出的符号名和系统赋予文件的内部标识符构成。,2 . 基于索引节点的共享方式 如图6.20所示。由于索引节点和文件是一一对应的，任何对于文件的修改在索引节点中都能准确反映出来，用户可以通过索引节点访问共享文件，那么文件的任何变化对于共享它的用户都是可见的。,3 . 共享文件语义 共享文件语义是评估文件系统对文件共享支持的一个重要标准。它描述了多个用户同时访问共享文件时的语义。这些语义特别规定了一个用户所修改的数据何时对另一用户可见。 1）UNIX语义 一个用户对已打开的文件进行写操作，可以被打开该文件的其他用户看到。 有一种共享模式允许用户共享文件当前指针的位置。这样，一个用户移动当前指针会影响到其他共享用户,2）会话语义 AFS文件系统（Andrew File System）使用如下的会话语义： 一个用户对打开的文件的写操作并不能被同时打开同一个文件的其他用户所见。 一旦文件关闭，对其的修改只能对以后打开的会话所看见，已经打开文件的用户并不能看到修改的内容,3）永久共享文件语义 永久共享文件语义是指一旦一个文件被其创建者声明为共享文件，它就不能被修改。永久共享文件有两个重要的特性：文件名不能重用，文件内容不可修改。因此，永久文件的名称表示文件内容是不可更新的，不能被用来存储可变信息。在分布式系统中实现永久共享文件语义是很简单的，因为共享是有要求的（只读）。,4）原子事务 原子事务的基本思想是：要存取一个文件或一组文件，一个进程首先执行某种BEGIN TRANSACTION之类的原语，以表明后续的操作必须是不可分割地执行；然后用系统调用去读或写一个或多个文件；在工作完成之后，执行一个END TRANSACTION原语。,四种语义的总结,返回本节,6.7.2 文件保护,1存取控制矩阵 2存取控制表 3口令 4密码,下一页,表6.1 存取控制矩阵,下一页,表6.2 存取控制表,下一页,常见的文件的存取权限一般有以下几种：,（1）E：表示只执行。 （2）R：表示只读。 （3）W：表示只写。 （4）B：表示只在文件尾写。 （5）D：表示删除。,下一页,口令,使用口令的优点是：简便。节省空间。 其缺点有以下几点： （1）可靠性差。口令易被窃取。 （2）存取控制不易改变。 （3）保护级别少。,下一页,密码,对文件进行保护的另一项措施是密码技术。 密码技术除保密性强外，还具有节省存储空间的优点。但它必须花费大量的编码和译码时间，从而增加了系统的开销。,返回本节,6.8 文件的完整性,针对文件系统而言，它必须保证在系统硬件、软件发生故障的时候，文件也不会遭到破坏，这就是文件的完整性。 保证文件的完整，文件系统应当提供适当的机构，以便复制备份，即系统必须保存所有文件的双份拷贝。保存双份拷贝的目的是当发生偶然事件毁坏文件后，可通过另一拷贝将文件恢复。 建立文件拷贝的方法有周期性转储、增量转储等几种。,返回本章首页,6.9 外存空间的管理,6.9.1 外存的主要技术参数 6.9.2 空闲块的管理 6.9.3 分配策略,返回本章首页,6.9.1 外存的主要技术参数,外存的主要技术参数有： （1）容量。 （2）物理尺寸 （3）访问方法。,（4）传输速率。 （5）查询时间。 （6）延迟时间。 （7）可拆卸性。,返回本节,6.9.2 空闲块的管理,1空闲文件目录,表6.3 空闲文件目录,下一页,2空闲块链,图6.12 空闲块链,下一页,3位示图,图6.13 位示图,返回本节,6.9.3 分配策略,空闲块的分配有静态分配和动态分配两种。 在静态分配中，用户在建立文件时宣布文件的大小，系统一次分配其所需要的全部区域。 在动态分配中，用户在建立一个文件时，系统并不分配存储空间，而是在每次写信息时才按所写信息的大小进行分配。,返回本节,6.10 磁盘组织与管理,6.10.1 磁盘结构 6.10.2 磁盘的驱动调度 6.10.3 磁盘管理,返回本章首页,6.10.1 磁盘结构,磁盘驱动器可以看成一个一维的逻辑块的数组，逻辑块是最小的传输单位。而所有实际的磁盘被组织成许多柱面，一个柱面上的磁道数和垂直放置的磁头个数相同。磁道又被分成许多扇区，每条磁道上扇区数目典型的范围是：对软盘每条磁道8至32扇区，在某些硬盘上则可多达几百扇区。 通过映射，至少在理论上能将逻辑块号转换成由磁盘内的柱面号、磁道号和扇区号所组成的磁盘地址。但实际上，执行这样的转换并不容易，这有两个原因。第一，绝大多数磁盘都有一些坏扇区，因此映射必须用磁盘上的其他空闲扇区来替代这些坏扇区。第二，对于有些磁盘，每个磁道的扇区数并不相等。,返回本节,6.10.2 磁盘的驱动调度,磁盘的驱动调度分为移臂调度和旋转调度，先进行移臂调度后进行旋转调度。 移臂调度算法主要有： （1）扫描法。这种算法是根据请求序列具有动态性质设计的。存取臂从磁盘的一端出发，向另一端移动，遇到需要访问的柱面就完成访问请求，直至到达磁盘的另一端。到达另一端后，存取臂就改变移动方向，继续完成在这一方向上的访问请求。 （2）先来先服务（FCFS）算法。它是一种最为简单的调度算法，它按照输入输出请求到达的先后次序，逐一完成访问请求。 （3）最短寻道时间优先（SSTF）算法。这种算法总是先完成与当前存取臂距离最近的柱面上的输入输出请求。,返回本节,6.10.3 磁盘管理,1 . 磁盘格式化 2 . 磁盘引导块 3 . 坏块管理 4 .
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