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第六章文件管理 6 1文件系统的概念6 2文件的逻辑组织与存取方法6 3文件的物理结构与存储设备6 4文件存储空间的管理6 5文件目录管理6 6共享与安全6 7文件完整性6 8文件的使用 1 一 引言 软件资源包括各种程序和数据 是一些具有一定逻辑意义的 相关联的信息集合 因此 软件资源也可称为信息资源 对软件资源的管理形成了操作系统的文件管理系统 简称文件系统 6 1文件系统的概念 二 文件 文件 是指一个具有名称的 一组在逻辑上具有完整意义的相关信息的集合 文件必须要有一个文件名 它通常由一串ASCII码字符或汉字构成 用户利用文件名来访问文件 即 按名存取 2 按文件的性质和用途分类 1 系统文件 由操作系统核心和各种系统程序及数据组成的文件 这类文件通常只允许用户通过操作系统调用执行 不允许对其进行读写和修改 如编译程序 解释程序以及操作系统本身 2 库文件 主要由各种标准子程序库组成 这类文件只允许用户对其进行读取 执行 但不允许对其进行修改 如C语言子程序库 PASCAL语言子程序库等 3 用户文件 由用户建立的文件 这类文件只由文件主或被授权的用户才能使用 如源程序 目标程序 数据文件等 三 文件的分类 3 UNIX操作系统中 文件按组织形式和处理方式分为三类 1 普通文件 由字符流组成的文件 UNIX系统中的普通文件既包括系统文件 也包括用户文件和库文件 2 目录文件 由文件目录信息构成的一类文件 该文件的内容是用来检索普通文件的目录信息 对它的处理 读 写 执行 在形式上与普通文件相同 3 特殊文件 在UNIX操作系统中 所有的输入 输出设备都被看作特殊文件 这类文件在查找目录 存取权限验证等处理和使用形式上与普通文件相同 但是 特殊文件的使用是和设备处理程序紧密联系的 因此操作系统必须把对特殊文件的文件操作按设备特性要求转化为对不同设备的I O操作 4 按文件的信息流向分类可分为 1 输入文件 只能读入的文件 如键盘输入 纸带输入 读卡机 只读存储器 只读光盘中的文件 2 输出文件 只能写的文件 如穿孔机 打印机上的文件 3 输入输出文件 既可读 又可写的文件 如磁盘 磁带和可读写光盘 按文件保留要求也可划分为三类 1 临时文件 指保留用户暂时使用的文件 无副本 2 永久文件 指保留用户经常用到的文件 有副本 3 档案文件 指只作备份保存起来的文件 以备查证和恢复用 5 四 文件系统 文件系统 操作系统中负责管理文件的机构 文件系统负责文件的创立 撤消 读写 修改 复制和存取控制等 并管理存放文件的各种资源 文件系统的功能 1 实现文件名到文件空间的映射 2 实现文件存储空间的分配与回收 3 实现文件目录的操作管理 4 提供文件的共享以及保护与保密措施 5 实现用户要求的各种文件操作 6 文件系统的功能可以从两个方面来看 用户使用角度和系统管理角度 从用户使用角度 文件系统主要实现了信息的 按名存取 文件系统的外部特征 从系统管理角度 文件系统主要实现了文件存储器存储空间的组织分配 文件信息的存储 并对存入的文件进行保护和检索 文件系统的内部特征 当用户要求系统保存一个已命名的文件时 文件系统根据一定的格式把该文件存放到文件存储器中适当的地方 用户需要时 系统根据用户指定的文件名 能够从文件存储器中找出所需要的文件或文件中的某些信息 7 文件系统主要有如下持点 1 使用方便 用户借助文件名 并提供适当参数即可方便 灵活地在各种存贮介质上存取和访问控制所需文件 2 安全可靠 文件系统能提供各种保护措施 防止对文件信息无意或有意的破坏 并避免由于各种偶然性事故可能造成文件信息的损坏 而且为用户提供了一定的保密措施如对文件加密 以防止用户信息被人 偷窃 3 便于共享 文件系统为用户提供了文件共享功能 使多个用户能共享同一文件 4 统一管理 用户可以用统一的虚拟I O指令 或系统调用 来存取各种存贮介质上的文件 8 6 2文件的逻辑组织与存取方法 一 文件的组织 文件的逻辑结构 从用户的观点出发所观察到的文件组织形式 是用户可以直接处理的数据及其结构 文件的物理结构 从实现观点出发 文件在外存上的存放组织形式 文件的逻辑结构与存储设备无关 但文件的物理结构与存储设备的特性有很大关系 二 文件的逻辑结构和存取方法 文件的逻辑结构可分为两大类 1 有结构文件 由记录构成的文件 也以记录为单位进行存取 称为记录式文件 2 无结构文件 由字符流构成的文件 称为流式文件 9 文件的存取方法 文件的存取方法是指 按照文件的逻辑结构存取文件的形式 文件的存取方法是由文件的性质和用户使用文件的情况来决定的 根据存取的顺序关系可分为两类 顺序存取和随机存取 顺序存取 按照文件信息的逻辑顺序依次进行读写的存取方法称为顺序存取 采用顺序存取方法的文件称为顺序文件 随机存取 是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 或者是根据存取命令把读写指针移到欲读写信息处 10 按键存取 是根据给定的键值或记录名来直接存取纪录式文件中的记录 11 6 3文件的物理结构与存储设备 文件的物理结构 是指一个逻辑文件在物理存储器上的存储结构形式 它与文件的存取方法以及文件存储器的特性是密切相关的 是由操作系统给定的 卷 存储介质的物理单位 物理块 文件的存储设备通常划分为大小相等的物理块 物理块是分配和传输信息的基本单位 物理块的大小与设备有关 但与逻辑记录的大小无关 文件的物理结构 存储文件信息的物理块的组织形式 常用的文件物理组织方式 连续文件 链接文件和索引文件 12 物理块号 一 连续存放方式 连续文件 连续文件 把逻辑上连续的文件信息存放到依次连续的物理块中 这样组织的文件称为连续文件 优点 结构简单 存取速度比较快 缺点 1 文件存储器的存储空间存在着一些 零头 而不能有效地加以利用 2 在建立文件时必须确定好文件长度 3 不能动态增长 13 二 链接块存放方式 串联文件 是将文件存放在外存的若干个不连续的物理块中 每一个物理块中设有一个指针 指向下一个物理块的位置 从而使得存放同一个文件的物理块链接起来 优点 不存在碎片问题 存储空间利用率较高 便于文件的动态增长 缺点 1 只能顺序访问 因而查找效率较低 2 链接字占空间 14 三 索引结构基本思想 将文件存放在外存的若干个物理块中 系统为每个文件建立一个索引表 索引表中的每个表目存放文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号 15 在对索引文件进行检索时 先从FCB中读出索引表始址 然后从索引表中找到指定关键字所对应的索引项 根据其中的物理地址读出所要的记录 文件控制块 存放文件的属性 多重间接索引将索引表本身作为一个文件 再为其建立一个索引表 这个索引表作为文件索引的索引 由此构成了多重间接索引 第一级索引表的表目指向第二级索引 第二级索引表的表目指向相应信息所在的物理块号 以此类推可逐级建立索引 进而构成多重间接索引 优点 便于随机存取 具有直接读写任意一个记录的能力 便于文件的增 删 改 缺点 增加了索引表的空间开销和查找时间 16 四 文件存储设备 常用的文件存储设备 磁带 磁盘 光盘 存储设备的特性决定了文件的存储结构和存取方法 2 直接存取设备 磁盘 1 顺序存取设备 磁带 17 3 文件的存储结构 存取方法和存储设备之间的关系 18 6 4文件存储空间的管理 在创建一个文件时 存储空间的分配 有两种方案 1 分配连续的区域 2 分配不连续的物理块 文件存储空间的管理包括 空闲块的组织 分配与回收 常见的空闲块管理方法有 空白 闲 文件目录 空闲块链和位示图 19 将文件存储设备上的每个由多个连续的空闲块组成的空闲区看作一个空闲文件 系统为所有的空闲文件单独建立一个目录称为空闲文件目录 每个空闲文件在这个目录中占一个表目 记录了空闲文件的第一个空闲块的块号和空闲块的数目 一 空白 闲 文件目录 20 分配 系统依次扫描空闲文件目录中的各表目 直到找到一个满足要求的空闲区为止 回收 系统顺序扫描空闲文件目录 寻找相邻空闲区 对该空闲区所对应的表目进行修改 否则寻找一个空表目 将释放区的第一个物理块号和该区域的物理块数填入该空表目中 优点 当文件存储空间中只有少数空闲区时效果较好 缺点 如果存储空间中有大量较小的空闲区时 空闲文件目录将变得很大 从而大大降低效率 空闲文件目录适用于建立连续文件 其分配与内存管理中的动态分区管理方式相似 因此同样可以采用最先适应算法 最佳适应算法 最坏适应算法来管理 21 二 空闲块链 在文件存储设备上的每个空闲块中设立一个链接指针 指向下一个空闲块的位置 从而将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 分配 从链首取下所需的空闲块 然后调整链首指针 回收 把释放的空闲块逐个插入空闲块链中 优点 分配和回收一个空闲块的过程都非常简单 缺点 分配和回收时需启动I O 系统开销较大 改进 采用成组链接法 22 23 成组链接法 1 成组链接法的基本原理 成组链接法首先把文件存储设备中的所有空闲块按每50块分为一组 组的划分为从后向前顺次划分 其中 每组的第一块用来存放前一组中各块的块号和空闲块数 第一组的块数为49块 因为最后一组将不足50块 所以 该组的块号和和空闲块数只能放在管理文件存储设备的文件资源表 专用块 中 2 成组链接法的分配与回收过程 首先 系统在初启时把文件资源表 专用块 复制到内存 从而使文件资源表中放有最后一组的空闲块号和总块数的堆栈进入内存 使得空闲块的分配和回收可在内存中进行 用语空闲块分配和回收的堆栈有栈指针Ptr 且Ptr的初值等于该组空闲块的总块数 24 25 分配一个空闲块时 按照后进先出的原则 分配程序在取走栈指针Ptr所指的块号之后 再做Ptr Ptr 1的操作 当堆栈中只剩下最后一个空闲块号时 系统启动设备管理程序将该块中存放的下一组的空闲块号与总块数读入内存之后再把该块分配给申请者 然后系统重新设置Ptr指针 文件存储设备的最后一个空闲块中设置有尾标识 以指示空闲块分配完毕 回收一个空闲块时 回收程序先做指针Ptr Ptr 1的操作 然后把回收的物理块号放入当前指针Ptr所指的的位置 如果指针Ptr的值等于50 则表示该组已经回收结束 此时 如果还有新的物理块需要回收的话 回收该块并启动I O设备管理程序 把回收的50个块号与块数写入新回收的块中 然后 将指针Ptr重新设置为1 另起一个新组 对空闲块的分配和回收必须互斥进行 26 三 位示图 位示图 反映整个存储空间的分配情况 其中每一个字的每一位都对应一个物理块 图中 1 表示对应的块已分配 0 表示其对应的块为 空白 未分配 27 优点 位示图尺寸是固定的 通常比较小 可以放在主存中 因而文件存储空间的分配和回收工作可以高速地进行 缺点 需要将位示图中的字值数换算成相应的物理块号 28 6 5文件目录管理 一 文件目录项和内容 文件目录项 用来保存一个文件的文件名 物理位置及其它有关文件的说明信息与控制信息的数据结构称为文件目录项 或文件控制块 通常记为FCB 文件的目录项包括以下几方面的内容 1 文件名 由用户赋予文件的标识符 2 文件的逻辑结构 记录是否定长 记录长度 记录个数 29 3 文件在外存的物理位置 对于连续结构和链接结构 只要登记文件的起始块号和指向文件第一个物理块的指针 对于索引结构要登记该文件索引表的首址 4 存取控制信息 文件主本人具有的存取权限 核准的其它用户名及相应的存取权限 5 文件管理信息 文件建立的日期和时间 上一次存取的日期和时间 要求文件保留的时间 6 文件的类型 指明文件的类型 如系统文件 用户文件 目录文件等 30 31 文件目录 文件目录项的有序集合称为文件目录 目录文件 如果一个文件的内容为文件目录 则该文件称为目录文件 二 文件目录和目录文件 三 文件目录结构 一级目录结构 在整个系统中只建立一张目录表 为每个文件分配一个目录项 查找文件 文件名优点 简单 适用于单用户系统或容量较小的存储介质 缺点 查找速度慢 不允许重名 不便于实现文件的共享 32 33 2 二级目录结构 当一个新的用户使用文件时 系统在主目录中开辟一项 并为用户准备好存放该文件目录的目录区 然后把用户名和文件目录区首地址填到主目录中 在二级目录结构中 区别不同的文件除文件名外还有文件的用户名 因此不同的用户可以使用相同的文件名 优点 提高了检索目录的速度 在不同的用户目录中可以使用相同的文件名 不同用户可以使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件 查找文件 用户名 文件名 34 35 3 多级文件目录 树形文件目录 多级目录结构 由根目录和各级目录组成 除根目录 其它各级目录均以文件的形式组成目录文件 根目录中的每个目录项可以对应一个目录文件 也可以对应一个数据文件 同样目录文件中的每个目录项可以对应一个目录文件 也可以对应一个数据文件 如此类推 形成多级目录结构 也称树形目录结构 将根目录称为根结点 把各级目录文件称中间结点 用方框表示 数据文件称为叶结点 用圆圈表示 36 37 路径名 在多级目录结构中一个文件的唯一标识不再是文件名 而是从根结点开始 经过一个或多个中间结点到达某个叶结点的一条路径 称这条路径为文件的路径名 它是文件的唯一标识 查找文件 文件路径名 绝对路径 工作目录 当前目录 值班目录 相对路径 优点 层次清楚 检索速度快 效率高 允许不同子目录下的文件重名 便于实现文件共享 38 绝对路径 B E J 当前目录 E 当前目录 E相对路径 J 当前目录 当前目录 相对路径 B E J 39 6 6共享与安全 一 文件的共享 文件的共享 指不同用户共同使用某些文件 文件的共享可以节省大量的辅存空间和主存空间 减少输入输出操作 为用户间的合作提供便利条件 1 绕道法系统允许每个用户获得一 当前目录 用户访问的所有文件都对应于当前目录 当所访问的文件不在当前目录时 用户从当前目录出发向上返回到与所要共享文件所在路径的交叉点 再顺序下访到共享文件 实现文件共享的方法 40 2 链接法在相应的目录项之间进行链接 将一个目录中的目录项直接指向另一个目录中的目录项 41 3 基本文件目录 BFD 和符号文件目录 SFD 如果一个用户要共享另一个用户的文件 则只要在这个共享用户的SFD中增加一个表目 并在其中填上该用户所用的符号名及该共享文件的内部标识符 ID 42 1 存取控制矩阵 整个系统一张 2 存取控制表 以文件为单位 3 用户权限表 以用户为单位 二 文件的保护 文件的保护是指文件本身需要防止文件的拥有者或其他用户破坏文件内容 文件的共享并不意味着用户可以不加限制地随意使用文件 那样 文件的安全性和保密性将无法保证 也就是说 文件的共享应该是有条件的 是要加以控制的 实现文件保护的方法 43 缺点 矩阵过于庞大 占据了大量的主存空间 并增加了扫描时的时间开销 1 存取控制矩阵 整个系统一张 优点 概念上比较简单 44 2 存取控制表 以文件为单位 通常把所有的用户分成三种不同的身份 文件主 文件的建立者 伙伴 文件主指定的用户 允许使用这一用户 普通用户 对文件操作的类型 1 可读 R 2 可写 W 3 可执行 E 3 用户权限表 以用户为单位 为每一个用户建立一个用户权限表 用于存放该用户所要存取的所有文件的存取权限 45 46 三 文件的保密 文件的保密是指未经文件拥有者许可 任何用户不得访问该文件 实现文件保密的方法 采用口令的方法 必须和其它的方法配合使用 系统仅利用口令来识别访问文件的用户 至于对文件的访问权限的控制则采用其它的方法 47 2 译成密码在用户创建源文件并将文件写入存储设备时对文件进行编码加密 在读出文件时对其进行译码解密 只有能够进行译码解密的用户才能正确读出被加密的文件 从而起到文件保密的作用 密码技术 1 设计密码的技术 加密 或称密码表示法 2 破译密码的技术 解密 或称密码分析法 48 6 7文件的完整性 文件的完整性 是指在系统硬件和软件出现故障的条件下 保证文件信息不被破坏 1 全量转贮 把文件存贮器中的全部文件定期 每周一次 复制到磁盘或磁带上 一旦系统出现故障破坏了文件信息 便可恢复 2 增量转贮 每隔一段时间 把上次转储以来修改过的文件和新增加的文件转贮到磁盘磁带上 关键性的重要文件亦可再次转储 49 6 8文件的使用 文件系统以系统调用的方式 为用户提供服务 用户可以通过这些系统调用方便而有效地使用和控制文件 这些系统调用包括 建立文件 打开文件 关闭文件 读文件 写文件和撤消文件等最基本的文件操作命令 1 建立文件 登记文件当用户想把一批信息作为文件保存时 可用此命令向系统提出建立文件的请求 当建立新文件时 1 系统为新文件分配必要的外存空间 2 在文件系统的目录中为该文件建立一个目录项 目录项中记录新文件的文件名及其在外存的地址等属性 文件的基本操作 50 2 撤消文件 回收系统资源当一个文件不再使用时 可用此命令将文件删除 删除文件时 1 系统从文件目录中找到要删除文件的目录项 使之成为空闲目录项 2 回收该文件所占用的存储空间 3 打开文件 节省文件的操作时间 验证合法性为了避免用户在每次访问文件时从外存中查找文件目录 以节省文件的操作时间 系统提供了打开文件命令 打开文件命令的功能 将待访问文件的目录信息读入内存活动文件表中 以建立起用户和文件的联系 在有些系统中 也可以通过读写命令隐含地向系统提出打开文件的请求 若在读写命令中不包含打开文件功能 则在使用文件之前 必须先打开文件 51 4 关闭文件 释放系统资源 保证信息的完整性若文件暂时不用 应将其关闭 关闭文件的功能 撤消主存中有关该文件的目录信息 切断用户与该文件的联系 若在文件打开期间 该文件作过某种修改 则系统将内存中该文件的目录信息写回辅存 文件关闭后 若要再次访问该文件 则