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第七章文件管理 文件概念 文件结构和文件系统 文件系统实现 目录 文件系统的可靠性 7 1文件概念 文件系统负责信息的组织 存储和访问 并对文件的构造 存取 使用 保护和实现方法等进行管理 文件 具有文件名的一组相关数据的集合 每个文件都必须要有一个文件名 1 方便的文件访问和控制 以符号名称作为文件标识 便于用户使用 2 并发文件访问和控制 在多道程序系统中支持对文件的并发访问和控制 3 统一的用户接口 在不同设备上提供同样的接口 方便用户操作和编程 4 多种文件访问权限 在多用户系统中的不同用户对同一文件会有不同的访问权限 5 优化性能 存储效率 检索性能 读写性能 6 差错恢复 能够验证文件的正确性 并具有一定的差错恢复能力 7 1 1文件管理的目的 按文件的用途分类系统文件 操作系统软件构成 包括系统内核 系统管理程序等 用户文件 用户自己的文件 如用户的源程序文件 可执行文件或文档资料等 库文件 标准的子程序及非标准的子程序构成 如 系统库或满足特定应用的库文件 7 1 2文件分类 按文件的性质分类普通文件 用户所规定的普通格式的文件 例如字符流组成的文件 它包括用户文件 库文件 应用程序文件 目录文件 包含目录的属性信息的文件 特殊文件 输入输出设备可以被看成特殊文件 文件逻辑结构有结构文件 文件由记录组成无结构文件 文件由字符流组成 按存取属性分类可执行文件只读文件读 写文件按文件中的数据形式分类源文件 源程序和数据构成的文件目标文件 编译后但未链接的目标代码文件可执行文件 链接后的可执行文件 文件的属性主要描述文件的元信息 如文件的创建日期 长度 使用权限等 以方便文件系统管理文件 常用的文件属性有 文件名 供用户使用文件的内部标识 供系统使用文件的物理位置文件的拥有者 多用户系统中用于区别各个用户的权限文件的存取控制文件类型文件的长度 文件的字节数 7 1 3文件属性 用户可以通过文件系统提供的各种调用接口对文件进行各种操作 对文件记录的操作检索所有记录检索单个记录插入一个记录修改一个记录删除一个记录 7 1 4文件的操作 对文件自身的操作创建文件删除文件打开 关闭文件读 写文件设置文件的读 写位置截断文件 保存文件的基本属性 将其长度设为0 获取 设置文件属性 7 1 5文件访问方式 文件的访问方式由文件的性质和用户使用文件的方式决定 1 顺序访问方式文件信息按记录顺序一次处理 最常见的访问方式 读文件时按照文件指针的位置顺序读文件内容 写文件时 将文件指针移到文件尾部 并将信息附加到文件尾 读写指针移动定长记录文件 rpi 1 rpi l非定长记录文件 rpi 1 rpi li 2 直接访问方式直接访问方式又称为文件的随机存取 是磁盘文件的访问方式 一般每次存取的单位是固定的 称为块 块大小为512B 1024B或更大 随机存取方式主要用于大批量信息的立即访问 当有访问要求时 系统计算出信息所在文件中的位置 然后设置文件读写指针 直接读取信息 1 无结构文件无结构文件又称为流式文件 流式文件中的数据按其时间到达的先后顺序存储 没有结构 流式文件的的访问需要用穷举法 即从开始处遍历文件 7 2文件结构和文件系统 7 2 1文件结构 有结构文件有结构文件又称为记录式文件 是一组连续记录的集合 每条记录用于描述对象某些方面的属性 按记录长度是否相等分为 定长记录文件 变长记录文件树形文件特殊的有结构文件 由一颗记录树构成 文件组织是指有结构文件的记录组织方式 文件组织应能满足以下要求 提高检索效率便于修改降低文件存储费用维护简单 7 2 2有结构文件的组织 1 顺序文件顺序文件所有记录长度相等 按照记录的排序方式串结构 记录顺序与关键字无关 由存入时间决定 顺序结构 记录按关键字排序 检索效率高 对顺序文件的读写由一个或几个数据项作为关键字 设置一个指针ptr指向下一个要读写的记录的首地址 在执行完读写操作后 执行ptr ptr l l为定长记录的长度 优缺点优点 在一次处理大批数据时 效率高 介质 磁带 缺点 对单个记录的增删改等交互式处理较困难 插入和删除尤其如此 2 索引文件适用于对不定长记录的访问 各个记录不必排序 可以针对不同的关键字域相应建立多个索引表 每个索引项有一个指向主文件中一个记录的指针和该记录长度的两个数据项 索引项按照记录中的某个关键字域进行排序 索引文件的记录项通常较小 且定长 所以查找速度快 便于随机访问 2 索引文件 优点 访问效率高缺点 每个文件可能设置多个索引文件 空间耗费大 3 索引顺序文件在顺序文件的基础上 另外建立索引文件以加快顺序文件的检索速度 将顺序文件中的所有记录分为若干个组 然后为顺序文件建立一张索引表 索引表中的每个索引项指向顺序文件中每组记录的第一个记录 索引文件的每条记录由两个数据项组成 关键字和指向主文件记录的指针 索引文件与索引顺序文件的区别在于索引文件主文件不排序 3 索引顺序文件 文件系统是指含有大量的文件及其属性说明 对文件进行操纵和管理的软件 以及向用户提供的使用文件的接口的集合 它主要由三部分组成 实体 文件本身 操作管理 有关文件操作过程 接口 用户使用文件的接口 7 2 3文件系统 1 文件系统软件结构 文件及其属性为方便文件检索 文件系统中配置目录 目录中记录了文件名及其相关属性 能够方便用户使用文件 提高文件存取的速度 文件接口命令接口 通过键盘输入命令取得文件服务程序接口 用户程序通过系统调用取得文件服务文件管理软件逻辑文件系统 提供对文件记录操作的能力 I O管理软件 由文件名寻找文件所在的设备 并负责I O操作的完成 物理文件系统 负责处理内存和文件所在设备的数据交换 外存设备驱动程序 文件系统的最底层 主要负责启动I O设备和对设备发出的中断进行处理 2 文件管理功能 3 常见的文件系统FAT 最早用在MS DOS中 后被用于windowsNT windows2000 XP中 NTFS windowsNT windows2000 XP中的文件系统 安全性和可靠性比较好 NFS 网络文件系统 EXT2 Linux最常用的文件系统 目录的功能 实现 按名存取 提高对文件的检索速度 允许文件同名 文件共享 7 3目录 文件控制块 FCB 描述和控制文件的数据结构 文件基本信息 文件名 物理位置和逻辑结构存取控制信息 文件主 标准用户和一般用户访问文件的权限文件使用信息 文件的建立和修改时间 当前使用信息 1 文件控制块和索引节点 文件目录设置文件目录的目的是为了实现对文件的集中管理 FCB的有序集合即文件目录 文件目录能够实现文件名与文件物理位置的映射关系 索引结点 UNIX系统使用 设置索引节点的目的是为了提高文件检索的速度 将文件名和文件描述信息分开 文件描述信息单独形成一个数据结构称为索引节点 文件目录的每个目录项由文件名和指向该文件对应的索引节点指针组成 磁盘索引节点指存放在磁盘上的i node 磁盘上每一个文件都有唯一的i node 主要内容 文件主标识文件类型文件存取权限文件物理地址文件长度文件链接计数 共享 文件存取时间 内存索引节点当文件打开后 将磁盘上i node拷贝到内存的索引节点中 以便以后使用 内存i node主要内容 i node编号 即内存i node标识状态 i node上锁或修改等访问计数 多个进程共享文件所在的逻辑设备号链接指针 多重缓冲池指针 空闲链 散列队列 2 单级目录 单级目录是最简单的一个目录形式 整个系统建立一张目录表 为每个文件分配一个目录项 缺点 查找速度慢不允许重名 2 两级目录 主文件目录和用户文件目录 优点 提高了文件检索速度部分允许文件重名 缺点 用户之间不容易实现文件共享 3 树型目录 树型目录是两级目录的推广主目录为根结点 数据文件为叶子结点 其他各级目录均为树的结点 1 路径名从根目录到任何文件之间所经历所有目录名和文件名 用 相连即构成该文件的路径名 路径名可以保证文件访问的唯一性 2 相对路径和绝对路径相对路径 从当前目录开始到所找文件的路径上用 相连的全部目录名和文件名 绝对路径 从根目录开始到所找文件的路径上用 相连的全部目录名和文件名 3 目录操作目录创建 目录删除 目录检索 目录打开和关闭 4 目录查询 1 查询文件的步骤 利用用户提供的文件名 按目录查询 找出FCB或索引节点 根据FCB或索引节点中记录的盘块号 算出文件的物理位置启动磁盘 读文件至内存 2 查询算法 线性检索算法哈希检索算法B 树 B树和B 树 1 B树的定义B树是一种平衡的多分树 通常我们说m阶的B树 它必须满足如下条件 每个结点至多有m个子结点 除根结点和叶结点外 其它每个结点至少有个子结点 若根结点不是叶子结点 则至少有两个子结点 所有的叶结点在同一层 有k个子结点的非根结点恰好包含k 1个关键码 2 B树的查找B树上的查找是一个顺指针查找结点和在结点内的关键码中查找交叉进行的过程 从根结点开始 在结点包含的关键码中查找给定的关键码 找到则查找成功 否则确定给定关键码可能在的子树 重复上面的操作 直到查找成功或者指针为空为止 B树和B 树 3 B 树的概念B 树是B树的一种变形树 它与B树的差异在于 有k个子结点的结点必然有k个关键码 非叶结点仅具有索引作用 跟记录有关的信息均存放在叶结点中 4 B 树的查找跟B树的查找类似 但是也有不同 由于跟记录有关的信息存放在叶结点中 查找时若在上层已找到待查的关键码 并不停止 而是继续沿指针向下一直查到叶结点层的关键码 此外 B 树的所有叶结点构成一个有序链表 可以按照关键码排序的次序遍历全部记录 上面两种方式结合起来 使得B 树非常适合范围检索 7 4文件的共享 1 基于索引节点的文件共享 缺点 文件的创建者必须等到其它用户都使用完该文件 才能删除文件 否则会出现指针空悬的情况 2 基于符号链的文件共享为共享文件创建LINK类型的文件 其内容是共享文件的路径名 称为符号链 文件可以通过符号链接文件找到共享文件 只有文件的拥有者才具有指向其索引节点的指针 不会出现指针空悬的情况 1 文件系统的含义一般含义 在操作系统内部用来对文件进行控制和管理的一套机制及其实现 从实现角度理解 指存储介质按照一种特定的文件格式加以构造 7 4文件系统实现 7 4 1文件系统的格式 2 分区与文件系统分区 将已经低格后的磁盘分成几部分 以便于用户的使用 每个分区就是一个逻辑硬盘 每个逻辑硬盘上可以安装不同的操作系统 这些操作系统引导程序存放在逻辑硬盘的第一个扇区中 整个硬盘的第一个扇区在所有逻辑分区之外 被称为主引导记录 主引导记录中存放着整个硬盘的分区信息和每个分区的类型 称为分区表 分区类型是指FAT32或者NTFS 是在各个逻辑分区上进行高级格式化后建立的文件系统类型 文件的存储结构 即文件的物理结构 是指文件在外存上的存储形式 1 文件分配单位分配单位大 容易造成存储空间浪费 分配单位小 一个文件分成多块 增加文件读写时间 折中法 512B 1K或2K文件的分配单位称为块 如果一个块由多个扇区组成 也称该块为簇 7 4 2文件的存储结构 实线表示一个磁盘的数据读取速率与块的大小的关系 虚线表示磁盘空间的利用率与块的大小的关系 块大小128B256B512B1KB2KB4KB8KB 文件分配单位 连续分配链接分配索引分配混合分配 7 4 3外存分配算法 连续分配要求为每个文件分配一组相邻接的盘块 这种分配方式保证了逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序的一致性 优点 便于顺序访问 支持直接存取顺序访问速度快 缺点 要求有连续的存储空间不便于文件的动态增长 1 连续分配 2 链接分配 优点 解决了文件动态增长的问题 缺点 随机访问低效指针占用存储空间 3 索引分配 为每个文件建立一个索引表 其中顺序存放了该文件所占用的所有盘块号 索引表独占一个物理块 称为索引块 优点 解决了文件动态增长的问题支持对文件的随机访问 缺点 索引块增加了存储空间开销当文件很大时 一个索引块放不下怎么办 4 混合分配 空闲表 空闲链 位示图 成组链接法 7 4 4空闲存储空间的管理 设计思想 系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表 记载磁盘上的哪些盘块是空闲的 适用于连续分配 1 空闲表 缺点 整个系统一张表 因表大 查找慢 空闲表管理方式中空闲区的分配可以使用类似内存可变分区的分配算法 如果采用首次适应法和下次适应法 则空闲表中所有的空闲区按其起始盘块号递增的次序排列 如果采用最佳适应法和最坏适应法 则空闲表中所有的空闲区按盘块数递增的次序排列 系统再回收空闲分区时也类似于内存回收 要考虑前后空闲区的合并 2 空闲链 设计思想 将磁盘上的所有空闲盘块拉成一条链 空闲盘块的分配从链首开始 回收的盘块挂在链尾 缺点 分配与回收过程虽然简单 但效率低 3 位示图 设计思想 用一个二进制位表示磁盘中一个盘块的使用情况 二进制位 0 表示盘块空闲二进制位 1 表示盘块已分配所有盘块所对应的位构成一个向量 优点 从位示图很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块 位示图占用磁盘空间比较少 常将位示图存放在内存中以提高分配速度 001110011111000110001110 4 成组链接法 综合空闲表法和空闲链 成组链接法分配过程 1 坏块管理 对磁盘本身的损坏进行一些补救热修复重定向系统将磁盘空间的一部分划分出来 作为热修复重定向区域 用于在写数据时 发现磁盘块损坏 进行写数据的重定向 写后读校验在每次从内存缓冲区向磁盘写入一个数据后 立即从磁盘上独处该数据块 送至另一个缓冲区 再比较这两个缓冲区中的内容 相同则继续写下一个数据 否则 进行热修复重定向 7 5文件系统的可靠性 2 备份 定期将文件复制或转存到另一个存储设备或另外一个存储区域 备份设备常用于备份的设备有磁带 磁盘和光盘 备份方法完全存储定期的将磁盘上的整个文件系统复制到后备系统中 缺点 有重复增量转存制定一个备份周期 如一个月 在每个