大学操作系统教程-彭德林-PPT文稿资料课件PPT
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主要内容： 本章主要讲解文件的相关知识，以及操作系统中最为重要的一部分文件系统。主要介绍文件的基本概念，文件的结构，文件的存取方法和存储设备，目录的管理以和文件的使用等知识点。 学习任务： 5.1 文件管理概述 5.2 文件的结构 5.3 文件存取方法和存储设备 5.4 目录管理 5.5 文件的使用 5.6 Windows Server 2003的文件管理,第5章 文件管理,5.1 文件管理概述,5.1.1 文件和文件系统 5.1.1.1 文件的概念 1. 文件的定义 (1) 文件是一组赋名的相关联字符流的集合 (2) 文件是相关联的记录的集合。 2. 文件的命名 一般情况下文件名包含两部分的内容，即： 主文件名和扩展名。（扩展名如图5-1） 标准格式为： . 3. 文件的属性 不同的文件通常有不同类型和数量的文件属性,图 5-1 常见文件扩展名,5.1.1.2 文件系统 1. 文件系统的结构 文件系统是操作系统中实行对文件的组织、管理和存放的系统程序，文件系统是用户和外存之间的接口。 2. 文件系统的层次模型： （如图5-3） 3. 文件系统的实现 实现多个文件系统的一个明显的方法是为每个类型编写一个目录和文件程序。现在绝大多数操作系统采用面向对象技术来简化、组织和模块化实现过程。使用这些方法允许不同的文件系统类型可以通过同样的结构来实现.,5.1.2 文件的分类 1. 按照文件的性质分类 (1) 系统文件 (2) 库文件 (3) 用户文件 2. 按照文件的组织形式分类 (1) 普通文件 (2) 目录文件 (3) 特殊文件 3. 按照文件的存取控制属性分类 (1) 只读文件 (2) 读写文件 (3) 不保护文件 (4) 只执行文件,4. 按照文件的数据形式分类 (1) 源文件 (2) 目标文件 (3) 可执行文件,5.1.3 文件系统的功能 1. 文件系统的主要功能 (1) 文件在存储设备上应该按照一定的顺序进行存放，即把这种存放方式称为文件的物理结构。 (2) 必须对辅助存储器空间进行统一管理。在用户创建新文件时，为其分配空闲区而在用户删除或修改某个文件时，回收和调整存储区。 (3) 为了便于存放和加工信息，文件在存储设备上应该按照一定的顺序存放。这种存放方式被称为文件的物理结构。 (4) 完成对存放在存储设备上的文件信息的查找。 (5) 完成文件的共享和提供文件保护。 2. 常见的文件系统：Minix、 EXT2、 EXT、 HPFS、NFS等,5.2 文件的结构,文件的结构分为两种，一种是文件的逻辑结构，另一种是文件的物理结构。 5.2.1 文件的逻辑结构 1. 选取文件的逻辑结构应该遵循以下的原则： (1) 在将大批记录组织成文件时，逻辑结构应有利于提高检索记录的速度和效率。 (2) 便于在文件中增加、删除和修改一个或多个记录。 (3) 减少文件占用的存储空间，最好不要求大片的存储空间。 (4) 便于用户对文件进行维护。 2. 常见的记录式结构文件有以下几种： (1) 连续结构 (2) 多重结构 (3) 转置结构 (4) 顺序结构,5.2.2文件的物理结构 通常文件的物理结构有顺序文件、链接文件、索引文件3种。 (1) 顺序文件: 优点：实现简单，存取速度快，常用于存放系统文件等固定长度的文件。缺点：文件长度不便于动态增加，因为一个文件末尾处的空块可能已分配给其他文件。一旦增加记录，便会导致大量移动。另外，在反复删除记录后，便会产生“碎片”，导致存储空间的浪费。,(2) 链接文件 优点：不要求对整个文件分配连续的空间，从而解决了空间碎片问题，提高了存储空间利用率，也克服了顺序文件不易修改的缺点。 缺点：随即存取文件记录时，必须按照从头到尾的顺序依次存取，其存取速度较慢，而且链接指针本身也要占去一定的存储空间。 (3) 索引文件 优点：存取、检索速度快，能满足文件动态增删要求 。 缺点：由于索引表的使用而增加 了存储开销，存储器访问次数多，降低了文件存取速度 。,5.3 文件存取方法和存储设备,用户对不同种类的文件采用不同的存取方法，以方便的对文件进行各种操作。文件的存储设备分为不可重复使用和可重复使用两种。 5.3.1文件的存取方法 用户通过对文件的存取来完成对文件的修改、追加和搜索等操作。常用的存取方法有三种： 1. 顺序存取 2. 随机存取 3. 按键存取,5.3.2 文件的存储设备 文件的存储设备分为不可重复使用和可重复使用两类。不可重复使用的文件存储设备也称为I/O式字符设备，如打印纸。可重复使用的文件存储设备也称块设备，如磁盘、磁带、光盘等。 典型的存储设备的特性及其存取方法: 1. 顺序存取设备:顺序存取设备通常是指那些容量大、价格低的存储设备。 2. 直接存取设备:光盘、磁盘（磁盘又分为硬盘和软盘）都是可直接存取的存储设备。,5.3.3文件存储空间的管理 5.3.3.1文件存储空间的分配 文件存储空间分配常采用连续分配、链接分配和索引分配3种。每种方法都有优点和缺点。有的系统对3种方法都支持，但是更为常见的是一个系统只提供对一种方法的支持。 1. 连续分配: 优点：在顺序存取时速度较快，一次可以存取多个盘块，改进了I/O性能，它常用于存放系统文件，因为这类文件通常被从头到尾一次存取。另外，也很容易直接存取文件中的任意一块，因此，连续分配方式支持顺序访问和直接访问。 缺点： 要求建立文件时就确定它的长度，依此来分配相应的存储空间，这往往很难实现。,5.3.3.1文件存储空间的分配 不便于文件的动态扩充，在实际应用中，文件的内容往往随着执行过程而不断的增加。当该文件需要扩大空间但文件两端空间已经被使用时，文件无法在原地扩展。 2. 链接分配： 链接分配克服了连续分配的所有缺点。采用链接分配，每个文件是磁盘块的链表。链接分配采用非连续的物理块来存放文件信息，这些非连续的物理块分布在磁盘的任何地方，它们之间并没有顺序联系，其中每个物理块都设有一个指针，指向其后续连接的另一个物理块，从而使得存放同一文件的物理块链接成一个串联队列。采用链接分配形成的物理文件称为链接文件或串联文件。 链接分配的另一个问题是可靠性。,5.3.3.1文件存储空间的分配 3. 索引分配： 索引结构既适用于顺序存取，也是用于随机存取。索引结构的缺点是由于使用了索引表而增加了存储空间的开销。另外，在存取文件时，需要至少访问存储器两次以上，一次是访问索引表，另一次是根据索引表提供的物理块号访问文件信息。,5.3.3.2存储空间管理 文件存储管理是文件系统的主要任务之一。空闲管理方法一共有三种：空闲文件目录、空闲块链、位示图。 1.空闲文件目录 这种方法是把文件存储设备中的空闲块的块号统一的放在一个称为空闲文件目录的物理块中。其中空闲文件目录的每个表项对应由多个空闲块构成的空闲区。 空闲文件项方法适合于连续文件结构的文件存储区的分配和回收。 2. 空闲块链 最常用的空闲块管理方法就是空闲块链，它把文件存储设备上的所有空闲块连接在一起，当需要空闲块时，分配程序从链头开始摘取所需的空闲块，然后调整链首指针；当回收空闲块时，把释放的空闲块逐个插入到链尾。,5.3.3.2存储空间管理 3. 位示图 空闲文件目录和空闲块链法在分配和回收空闲块时，都需在文件存储设备上查找空闲文件目录项或链接块号，这必须经过设备管理程序启动外设才能完成，为了提高空闲块的分配和回收速度，可以使用位示图进行管理。,5.4 目录管理,文件系统是通过文件目录来实现对文件的管理的，目录可以将文件名转换为文件在外存的物理地址。 5.4.1 文件控制块与目录 为了能对文件进行正确的操作，必须对文件设置用于描述和控制文件的数据结构文件控制块，该数据结构包括文件名以及文件的各种属性。 1. 文件的基本信息 (1) 文件名 (2) 文件的物理位置。 (3) 文件的逻辑结构指示文件是顺序文件还是索引文件等。,5.4.1 文件控制块与目录 2. 存取控制信息 (1) 文件主的存取权限。 (2) 标准用户的存取权限。 (3) 一般用户的存取权限。 3. 文件的使用信息 (1) 文件的建立日期和时间。 (2) 文件的修改日期和时间。 (3) 当前使用信息。,5.4.2 目录结构 文件的目录可以分为单级目录、二级目录和多级目录。 1. 单级目录: (如图5-10) 单级目录是一种最简单、最原始的目录结构。 利用单级目录，文件系统就可实现对文件系统空间的自动管理和按名存取。 2.二级目录 为了改变单级目录中文件命名冲突问题和提高对目录表的搜索速度，单级目录被扩充成二级目录。利用二级目录，也可以方便地解决不同用户间的文件共享问题。,5.4.2 目录结构 3. 多级目录 多级目录结构有如下的特点： (1) 层次清晰。 (2) 解决了文件重名的问题。 (3) 查找搜索速度快。,5.4.3 目录查询技术 为了实现用户对文件的按名存取，系统按下面的步骤寻找用户所需的文件: 1. 利用用户提供的文件名，对文件目录进行查询，找出该文件的FCB或索引节点。 2. 启动磁盘驱动程序，将所需的文件读入内存。 3. 线性检索算法。,5.5 文件的使用,为了减少存储空间的浪费，我们必须提供文件的共享和保护机制，这样才能提高系统的使用效率，保证文件系统的安全性。 5.5.1 文件的共享 为用户提供共享文件信息的手段是文件系统的一个重要的任务。 从系统管理的角度来看有三种方法可以实现文件的共享，即：绕道法（如图5-11）、链接法、基本文件目录表BFD。,5.5.2 文件的保护 一个文件系统可以定义多种不同的访问类型，下面介绍几种通用的访问类型： 1. 读：从文件中读信息。 2. 写：对文件内容进行写或重写。 3. 执行：用户可以将文件装入内存并执行它。 4. 添加：将信息添加到文件末尾。 5. 删除：删除文件，释放其占用的空间。 如果允许每个用户都能读文件，那么必须列出所有访问权限的用户和文件，因此这种技术存在一些缺点。 1. 创建这样的列表可能比较麻烦而且可能没有用处，因为事先不知道系统用户的列表。 2. 原来固定大小的目录条目，现在必须随着用户的增加、删除、文件或目录的改变而动态地变动，这会增加磁盘空间管理的复杂性。,5.5.2 文件的保护 为了解决这些问题，可以对访问控制表进行精简。为了精简访问控制表，许多系统都为每个文件采用了三种用户类型： 1. 文件主：创建文件的用户。 2. 组：一组需要共享文件且具有相似访问的用户形成了组或工作组。 3. 其他：系统内的所有其他用户。,5.5.3 文件的操作 不同的操作系统所提供的文件操作也不同，最基本的文件系统的调用包含6个基本操作，它们组成了所需文件操作的最小集合，其他的常用操作还包括现有文件中添加新信息和重命名现有的文件。这些基本操作可以组合起来执行其他文件操作。下面我们简单的了解一下： 1. 创建文件：创建文件有两个必要的步骤。 2. 写文件 3. 读文件 4. 文件定位 5. 删除文件 6. 截短文件,5.6 Windows Server 2003的文件管理,Windows Server 2003的文件系统可以支持多种不同的文件系统，包括传统的FAT12、FAT32文件系统和只读光盘CDFS、通用磁盘格式UDF、高性能HPFS以及全新的文件系统NTFS。 5.6.1 Windows Server 2003 文件系统简介 FAT是一个包含组成文件的数据块信息的链接表。最早使用FAT文件系统的操作系统是DOS。 新的FAT文件系统带来了许多特性： 1. 取消了32GB的分区的大小限制。 2. 根目录不再放置在一个固定的位置上，而且可以重新分配。 3. 能够放置在根目录下的项目数量的限制取消了。 4. 对FAT的备份副本实际上为用户解决了系统瘫痪问题。 5. 更重要的是，FAT32允许磁盘上有更多的簇，簇的大小是4096B，对大容量的驱动器也是这样。,5.6.1 Windows Server 2003 文件系统简介 NTFS5是Windows Server 2003的核心设计部分，包含以下内容： 1. 活动目录 2. 磁盘配额 3. 加密 4. 分布式文件系统 5. 可移动的和远程的存储 对于不同的操作系统，根据其所支持的文件系统做出选择，不同的操作系统对应不同的文件系统的关系 1. 选择FAT或FAT32 2. 双重引导的考虑,5.6.2 磁盘管理 盘块管理常采用盘图、链接等方法，不同的文件系统使用不同的盘块管理方法。 1. 盘图法 盘图也称字位影像图，盘图法是一种常用的方法，它用位的值0、1来表示磁盘上的相应物理块是否被分配。 2. 成组链接法 (1) 空闲盘块的组织 (2) 空闲盘块的分配与回收,5.6.3 文件管理 LFS将日志文件分成两部分：1. 重启动区域。 2. 无限记录区。 NTFS为了实现卷的可恢复性而执行的操作步骤如下： 1. NTFS首先调用LFS在日志文件中记录所有改变卷结构的事务。 2. NTFS在高速缓存中写入更改卷结构的操作。 3. 高速缓存管理器调用LFS将日志文件刷新到磁盘。 4. 高速缓存管理器把卷的变化刷新到磁盘。 NTFS在内存中维护两张表：1. 事务表。 2. 脏页表。 要实现NTFS的卷恢复，NTFS多日志文件进行3次扫描： 1. 分析扫描。 2. 重做扫描。 3. 撤
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