第六章_文件管理(第19、20、21讲)

2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 1 6 1文件和文件系统6 2文件的逻辑结构6 3外存分配方式6 4目录管理6 5文件存储空间的管理6 6文件共享与保护6 7数据一致性控制 文件管理的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理 以方便用户使用 并保证文件的安全性 第6章文件管理 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 2 6 1文件和文件系统 6 1 1文件 记录和数据项6 1 2文件类型和文件系统模型6 1 3文件操作 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 3 6 1 1文件 记录和数据项 文件 是指具有文件名的若干相关元素的集合 基于文件系统的概念 可以把数据组成分为数据项 记录和文件三级 记录 记录 记录 记录 编号 01 i n 1 读写指针 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 4 1 数据项 数据项是最低级的数据组织形式 可分为两种类型 基本数据项 是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位 即原子数据 又称为数据元素或字段 其命名往往与其属性一致 基本数据项除数据名外 还应有数据类型 2 组合数据项 由若干个基本数据项组成 简称组项 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 5 2 记录 记录是一组相关数据项的集合 用于描述一个对象在某方面的属性 在诸多记录中 为能唯一的标识一个记录 必须在一个记录的各个数据项中 确定出一个或几个数据项 把它们的集合称为关键字 也即关键字是唯一能标识一个记录的数据项 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 6 3 文件 文件是指由创建者所定义的 具有文件名的一组相关元素的集合 可分为有结构文件和无结构文件两种 有结构文件中文件由若干个记录构成 无结构文件则被看作是一字符流 文件必须要有文件名和属性 属性可以包括文件类型 文件长度 文件的存取控制 文件的物理位置和文件的建立时间 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 7 文件 记录和数据项之间的关系 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 8 按用途分类 系统文件 用户文件和库文件 按文件中数据的形式分类 源文件 目标文件和可执行文件 按存取控制属性分类 只执行文件 只读文件和读写文件 按组织形式和处理方式 普通 目录 特殊文件 6 1 2文件类型和文件系统模型 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 9 6 1 2文件类型和文件系统模型 文件系统 是指OS中与文件管理有关的那部分软件以及被它们管理的文件和文件属性的集合 从系统的角度看 是一个负责文件存储空间管理的机构 从用户的角度看 是用户在计算机上存储信息 使用信息的接口 实现 按名存取 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 10 6 1 2文件类型和文件系统模型 文件系统模型分为三个层次 最底层是对象及其属性 中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合 最高层是文件系统提供给用户的接口 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 11 6 1 3文件操作 用户通过文件系统所提供的系统调用实施对文件的操作 最基本的文件操作有 创建文件 删除文件 读文件 写文件 截断文件和设置文件的读 写位置 但对于一个实际的OS 为了方便用户使用文件而提供了更多地对文件的操作 如打开和关闭一个文件及改变文件名等操作 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 12 最基本的文件操作 创建文件 创建新文件时先分配空间 然后在文件系统的目录中建立记录文件属性的目录项 删除文件 找到要删除文件的目录项并清空 回收存储空间 读文件 找到文件目录项 以确定文件在外存的位置 用读指针操作 写文件 先查找目录项 再利用写指针操作 截断文件 将无用文件长度置为0 有别于删除文件 设置文件的读 写位置 用于设置文件读 写指针的位置 而不是每次都从文件始端读写 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 13 文件的 打开 和 关闭 操作 所谓 打开 是指系统将指名文件的属性从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中 并将该表目的编号返回给用户 以后当用户再要求对该文件操作时 便可直接在内存中找到该文件的外存地址等属性 从而提高了对文件的操作速度 当用户不再需要对该文件实施相应的操作时 可利用 关闭 此文件 OS将会把该文件从打开文件表中的表目上删除 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 14 6 2文件的逻辑结构 6 2 1文件逻辑结构的类型6 2 2顺序文件6 2 3索引文件6 2 4索引顺序文件6 2 5直接文件和哈希文件 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 15 6 2 1文件逻辑结构的类型 可以分为两大类有结构文件 是指由一个以上的记录构成的文件 故又把它称为记录式文件 无结构文件 这是指由字符流构成的文件 故又称为是流式文件 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 16 有结构文件 根据记录的长度可分为定长记录文件和变长记录文件 定长记录 文件中所有的记录长度是相同的 具有相同的数据项顺序和长度 变长纪录 指文件中的各记录长度不相同 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 17 有结构文件 根据记录的组织方式分为下列文件 顺序文件 由一系列记录按某种顺序排列所形成的文件 通常是定长记录 索引文件 当记录可变长时 通常为之建立一张索引表 并为每个记录设置一个表项以加快对记录检索的速度 索引顺序文件 上述两种方式的结合 为文件建立一张索引表 为每一组记录中的第一个记录设置一个表项 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 18 无结构文件 流式文件 其长度以字节为单位 对流式文件的访问 则是采用读写指针来指出下一个要访问的字符 可以把流式文件看作是记录文件的一个特例 流式文件就像一张白纸 用户可将它的信息任意的写到纸上 没有任何格式的限制 记录式文件像一张表格 用户要按表规定的格式填信息 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 19 6 2 2顺序文件 逻辑记录的排序文件是记录的集合 文件中的记录可以是任意顺序的 因此 它可以按照各种不同的顺序进行排列 一般可归为以下两种情况 串结构 各记录按存入的先后次序进行排列 顺序结构 文件中的所有记录按关键字排列 顺序结构的检索效率更高 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 20 对顺序文件的读 写操作顺序文件的记录可以是定长的 也可以是变长的 对于定长记录的顺序文件 如果已知当前记录的逻辑地址 便很容易确定下一个记录的逻辑地址 例如 读 Rptr Rptr L写 Wptr Wptr L 6 2 2顺序文件 对于变长记录的顺序文件 在顺序读或写时的情况相似 但应分别为它们设置读或写指针 在每次读或写完一个记录后 须将指针加上Li Li是刚操作完的记录的长度 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 21 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 22 6 2 2顺序文件 顺序文件的优缺点优点 顺序文件的最佳应用场合是在对诸记录进行批量存取时 即每次操作一大批记录 缺点 在交互应用的场合 如果进程需要按关键字操作某个记录 性能就可能很差 如想增加或删除一个记录都比较困难 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 23 6 2 3索引文件 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 24 6 2 4索引顺序文件 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 25 6 2 5直接文件和哈希文件 直接文件可根据给定的记录键值 直接获得指定记录的物理地址 组织直接文件的关键 在于用什么方法进行从记录值到物理地址的转换 哈希 Hash 文件它利用Hash函数 可将记录键值转换为相应记录的地址 但为了能实现文件存储空间的动态分配 通常由Hash函数所求得的并非是相应记录的地址 而是指向一目录表相应表目的指针 该表目的内容指向相应记录所在的物理块 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 26 Hash文件的逻辑结构 若令K为记录键值 用A作为通过Hash函数转换所形成的该记录在目录表中对应表目的位置 则有关系A H K 通常把Hash函数作为标准函数存于系统中 供存取文件时调用 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 27 第6章文件管理 6 3外存分配方式6 4目录管理 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 28 文件的物理结构和外存分配方法有关 连续分配方式顺序式结构链接分配方式链接式结构索引分配方式索引式结构 6 3 1连续分配6 3 2链接分配6 3 3索引分配 6 3外存分配方式 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 29 6 3 1连续分配 优点 顺序访问容易 支持随机存取 存取速度很快 缺点 分配连续的外存空间 事先知道文件的长度 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 30 6 3 2链接分配 属于离散分配方式采用链接分配方式时 可通过在每个盘块上的链接指针 将同属于一个文件的多个离散的盘块链接成一个链表 把这样形成的文件称为链接文件 链接方式又可分为隐式链接和显式链接两种形式 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 31 隐式链接 缺点 可靠性较差 不适合随机访问 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 32 显式链接 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 33 链式分配的优缺点 离散分配方式消除了外部碎片提高了外存空间利用率便于文件动态增长方便文件的增 删 改 不能支持高效的直接存取 FAT需占用较大的内存空间 优点 缺点 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 34 单级索引方式 6 3 3索引分配 每个文件一个索引块不利于小文件 常采用链式 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 35 outer index外部索引 indextable索引表 File文件 多级索引方式 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 36 混合索引方式 直接地址一次间接地址多次间接地址 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 37 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 38 目录管理的要求 实现 按名存取 提高对目录的检索速度文件共享允许文件重名 6 4目录管理 6 4 1文件控制块和索引结点6 4 2目录结构6 4 3目录查询技术 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 39 6 4 1文件控制块和索引结点 文件控制块 FCB 用于描述和控制文件的数据结构文件与文件控制块一一对应文件目录 文件控制块的有序集合目录文件 目录通常以文件的方式存放在外存上 称为目录文件 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 40 文件控制块 1 基本信息类 包括文件名 文件物理位置 文件逻辑结构 文件的物理结构 2 存取控制信息类 包括文件主的存取权限 核准用户的存取权限和一般用户的存取权限 3 使用信息类 包括文件的建立日期和时间 文件上次修改的日期和时间及当前使用信息 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 41 索引结点 索引结点的引入 便于快速检索文件目录 UNIX的文件目录 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 42 磁盘索引结点 存放在磁盘上的索引结点 每个文件有唯一的一个磁盘索引结点 主要包括以下内容 文件主标识符 5 文件长度 文件类型 6 文件连接计数 文件存取权限 7 文件存取时间 文件物理地址 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 43 内存索引结点 放在内存中的索引结点 当文件被打开后 将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中 比磁盘索引结点又增加了以下内容 索引结点编号 状态 访问计数 文件所属文件系统的逻辑设备号 链接指针 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 44 6 4 2目录结构 单级目录两级目录多级目录 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 45 单级目录结构 Single LevelDirectory 优点 简单且能实现目录管理的基本功能 按名存取 缺点 查找速度慢 限制了用户对文件的命名 不便于实现文件共享 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 46 两级目录结构 Two LevelDirectory FCB1 FCB2 FCB1 FCB2 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 47 两级目录结构 Two LevelDirectory 基本克服了单级目录的缺点 并具有以下优点 提高了检索目录的速度 在不同的目录中可以有相同的文件名 不同用户还可以使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件 存在的问题是各用户之间被完全隔离了 无法进行合作 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 48 树型 多级目录结构 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 49 树型 多级目录结构 多级目录结构目录结构 主目录 数据文件 其它目录路径名 每个文件都有唯一的路径名当前目录增加和删除目录在两级目录结构中 不提供用户建立子目录的手段 在树型目录结构中 用户可为自己建立UFD 并可创建子目录 也可删除目录 分为 不删除非空目录 可删除非空目录 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 50 6 4 3目录查询技术 当用户要访问一个已存在文件时 系统首先利用用户提供的文件名对目录进行查询 只要找到对应的FCB或索引点 便可找到具体的文件并对之进行相应的操作 目前对目录进行查询的方式有两种 线性检索法 顺序检索法Hash方法 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 51 线性检索法 查找 usr ast mbox的步骤 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 52 Hash法 因用Hash方法可能会产生冲突 检索的三种情况如下 如果目录表中相应的目录项是空的 则表示系统无指定文件 如果目录项中的文件名于指定文件名匹配 则表示找到指定文件 如果目录项中的文件名于指定文件名不匹配 则表示发生了 冲突 需用解决冲突的方法处理 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 53 6 5文件存储空间的管理6 6文件共享与保护6 7数据一致性控制 第6章文件管理 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 54 6 5空闲存储空间的管理 6 5 1空闲表法和空闲链表法6 5 2位示图法6 5 3成组链接法 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 55 6 5 1空闲表法和空闲链表法 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 56 存储空间的分配与回收 与内存的动态分配类似 同样是采用首次适应算法 循环首次适应算法等 内存管理中虽然很少采用连续分配方式 然而在外存的管理中 由于它具有较高的分配速度 可减少访问磁盘的I O频率 故它在诸多分配方式中仍占有一席之地 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 57 空闲链表法 空闲链表法是将所有空闲盘区拉成一条空闲链 根据构成链所用基本元素的不同 可把链表分成两种形式 空闲盘块链空闲盘区链 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 58 空闲盘块链 将磁盘空闲空间 以盘块为单位拉成一条链 分配存储空间时 系统从链首开始 依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户 释放存储空间时 系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾 优点 用于分配和回收一个盘块的过程非常简单缺点 分配盘块时 可能要重复操作多次 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 59 空闲盘区链 将磁盘上的所有空闲盘区拉成一条链 在每个盘区上除含有用于指示下一个空闲盘区的指针外 还应有能指明本盘区大小的信息 在回收盘区时 同样也要将回收区与相邻的空闲盘区相合并 在采用首次适应算法时 为提高对空闲盘区的检索速度 可以采用显式链接方法 亦即 在内存中为空闲盘区建立一张链表 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 60 6 5 2位示图法 位示图 位示图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况 0表示盘块空闲 1表示已分配 磁盘上所有盘块所对应的位构成一个集合 称为位示图 通常可用m n个位数来构成位示图 并使m n等于磁盘的总块数 如图 可看成是二维数组map m n 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 61 盘块的分配和回收 顺序扫描位示图 找到0二进制位 将所找到的一个或一组二进制位 转换成与之对应的盘块号 盘块号 列数 i 1 j i j b 盘块号 都从1开始 修改位示图 令map I j 1 分配过程 1 将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号 转换公式为 i j b 盘块号 都从1开始 i 盘块号 1 div列数 1j 盘块号 1 mod列数 12 修改位示图 令map I j 0 回收过程 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 62 6 5 3成组链接法 空闲表法和空闲链表法都不适用于大型文件系统 因为这会使空闲表或空闲链表太长 在UNIX系统中采用的是成组链接法是将上述两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法 它兼备了上述方法的优点而克服了表太长的缺点 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 63 空闲盘块的成组链接法示意图 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 64 空闲盘块的组织 空闲盘块号栈 用来存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号 最多含100个号 以及栈中尚有的空闲盘块号数N N还兼作栈顶指针 例如当N 100时 它指向S free 99 S free 0 是栈底 栈满时栈顶为S free 99 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 65 空闲盘块的组织 文件中的所有空闲盘块 被分成若干个组 将每一组含有的盘块总数N和该组的盘块号 记入其前一组的第一个盘块的S free 0 S free 99 中 这样由各组的第一个盘块形成了一条链 将第一组的盘块总数和所有的盘块号 记入空闲盘块号栈中 作为当前可供分配的空闲盘块号 最末一组只有99个盘块 在S free 0 中则存放0 作为空闲盘块链的结束标志 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 66 空闲盘块的分配 首先检查空闲盘块号栈是否上锁 如没有 便从栈顶取出一空闲盘块号 将与之对应的盘块分配给用户 然后将栈顶指针下移一格若该盘块号已是栈底 即S free 0 这是当前栈中最后一个可供分配的盘块号 由于在该盘块号所对应的盘块中即有下一组可用的盘块号 因此须调用磁盘读过程 将该盘块内容读入栈中 作为盘块号栈的新内容 并把原栈底盘块分配出去 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 67 空闲盘块的回收 将回收盘块的盘块号记入空闲盘块号栈的顶部 并执行空闲盘块号加1操作 当栈中空闲盘块号数目已达100时 表示栈已满 便将现有栈中的100个盘块号 记入新回收的盘块中 再将其盘块号作为新栈底 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 68 6 6文件共享与保护 6 6 1基于索引结点的共享方式6 6 2利用符号链实现文件共享6 6 3磁盘容错技术 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 69 6 6 1基于索引结点的共享方式 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 70 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 71 基于索引节点的共享方式 优缺点 优点 能够实现文件的异名共享 缺点 文件拥有者不能删除他人共享的文件 由于每一共享文件具有几个文件名 遍历时可能会多次便利该共享文件 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 72 6 6 2利用符号链实现文件共享 共享某文件时 创建一新文件 并加到用户目录中 该文件仅包含被链接文件的路径名 称该链接方法为符号链接 该方式中 只有文件主才拥有指向其索引结点的指针 其它共享的用户只有该文件的路径名 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 73 filec Lee用户文件目录 owner Wang类型 普通文件物理地址 索引结点 6 6 2利用符号链实现文件共享 owner Lee类型 LINK文件物理地址 fileb filec 符号链 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 74 符号链实现文件共享优缺点 优点 文件拥有者能删除他人共享的文件 缺点 访问共享文件时开销大 多次读盘 消费盘空间 每一共享文件都要增加一文件名 因路径名各不相同 6 6 2利用符号链实现文件共享 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 75 影响文件安全性的主要因素及采取的措施人为因素 采取存取控制机制系统因素 通过磁盘容错技术自然因素 通过后备系统 6 6 3磁盘容错技术 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 76 容错技术 通过在系统中设置冗余部件的办法 提高系统可靠性的一种技术 磁盘容错技术 系统容错技术SFT 则是通过增加冗余的磁盘驱动器 磁盘控制器等方法 来提高磁盘系统可靠性的一种技术 6 6 3磁盘容错技术 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 77 磁盘容错技术 SFT 1 低级磁盘容错技术 主要用于防止磁盘表面发生缺陷所引起的数据丢失 SFT 2 中级磁盘容错技术 主要用于防止磁盘驱动器和磁盘控制器故障引起的系统不能正常工作 SFT 3 高级磁盘容错技术 它基于集群技术实现容错 6 6 3磁盘容错技术 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 78 第一级容错技术 SFT 1 常用的措施有 双份目录和双份文件分配表 FAT 在不同的磁盘上或磁盘的不同区域中 分别建立两份目录表和FAT 热修复重定向和写后读校验热修复重定向写后读校验 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 79 第二级容错技术 SFT 2 磁盘镜像 DiskMirroring 磁盘双工 DiskDuplexing 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 80 磁盘镜像 DiskMirroring 磁盘驱动器故障的容错在同一磁盘控制器控制下 增设一个完全相同的磁盘驱动器 如下图 每次将数据写主磁盘时 同时将数据也写入到备份磁盘 主磁盘驱动器发生故障时 则启动备份驱动器 并立即发出警告 尽快修复 磁盘利用率为50 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 81 磁盘双工 DiskDuplexing 磁盘控制器或控制器与CPU之间的通道故障的容错 将两台磁盘驱动器分别接到两个磁盘控制器上 如下图 两个磁盘上的数据完全相同 每个磁盘都有自己的独立通道 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 82 6 7数据一致性控制 6 7 1事务6 7 2检查点6 7 3并发控制 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 83 6 7 1事务 1 事务 Transaction 的定义当一个数据被分散地存放在一个文件的不同记录或多个文件中 可采用事务来保证该数据的一致性事务是用于访问和修改各种数据项的一个程序单位 只有对分布在不同位置的同一个数据所进行的读和写 含修改 操作全部完成时 才执行托付操作 只要有一读 写或修改操作失败 便执行夭折操作 须将事务内刚被修改的数据项恢复成原来的情况 事务具有原子性 事务的操作要么全部完成 要么一个也不做 2020 4 6 阜阳师范学院计算机与信息学院 84 2 事务记录 事务操作的原子性须借助于存放在稳定存储器中的事务记录表来实现记录事务运行时所有对数据项的修改信息 又称运行日志 Log 该记录包括 事务名 事务的唯一标识 数据项名 被修改的数据项标识 旧值 新值