操作系统原理PPT电子课件教案-第九章 文件系统.ppt

2020 4 11 1 第九章文件系统 一 文件系统的基本概念 二 文件的逻辑结构与存取方法 三 文件的物理结构 四 文件目录结构 五 文件的共享与保护 六 文件操作 2 一 文件系统的基本概念 一 文件1 什么是文件文件是在逻辑上具有完整意义的信息集合 它有一个名字以供标识 文件名是有若干约束的字符串 构成文件的基本单位 信息项 单个字符或字节 记录文件是具有符号名的信息 数据 项的集合文件是具有符号名的记录的集合 3 2 文件分类 1 按文件的性质和用途系统文件程序库文件用户文件 2 按保护级别不保护文件执行文件只读文件读写文件 3 按文件流向输入文件输出文件输入输出文件 4 3 文件名与属性 1 文件名用户使用文件名存取文件系统使用文件内部标识符管理文件 2 文件扩展文件扩展表示了文件的使用特征如 c obj lib等 3 文件属性文件的属性字 表示文件类别 保护级等信息 5 二 文件系统 1 什么是文件系统文件系统是操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构 包括 管理文件所需的数据结构 如目录表 文件控制块 存储分配表 管理程序一组操作 6 2 文件系统的功能 1 从用户角度看文件系统实现了 按名存取 的功能 2 从系统角度看文件系统负责 辅存空间管理 文件的存储构造文件结构提供存取文件的方法提供文件共享功能对存入的文件进行保护提供一组文件操作命令 7 2 文件系统的功能 续 3 文件系统的特点使用简单使用文件名 一组文件操作命令 安全可靠提供防护措施 在文件遭受破坏时能及时复原 既能共享 又能保密身份验证 存取权限验证 把数据组织成文件形式加以管理和控制是计算机数据管理的重大发展 8 二 文件的逻辑结构与存取方法 一 文件的两种结构1 文件的逻辑结构 1 什么是文件的逻辑结构从用户角度看到的文件面貌 即用户对信息进行逻辑组织形成的文件结构 2 研究文件逻辑结构的目的为用户提供一种逻辑结构清晰 使用简便的逻辑文件形式 用户按文件的逻辑结构形式去存储 检索和加工文件中的信息 9 一 文件的两种结构 续 2 文件的物理结构 1 什么是文件的物理结构文件的物理结构是信息在物理存储器上的存储方式 是数据的物理表示和组织 2 研究文件物理结构的目的选择工作性能良好 设备利用率高的物理文件形式 系统按照文件的物理结构形式和外部设备打交道 控制信息的传输 10 一 文件的两种结构 续 3 逻辑记录与物理记录 磁盘块 1 逻辑记录逻辑记录是文件中按信息在逻辑上的独立含义来划分的信息单位 逻辑记录是对文件进行存取操作的基本单位 2 物理记录在存储介质上 由连续信息所组成的一个区域称为块 也叫物理记录 3 逻辑记录与物理记录的区别与关系一个是逻辑的概念 一个是物理的概念逻辑记录最终在存放到物理记录上 11 从用户使用观点来看 关心数据的逻辑结构 即记录及其逻辑关系 数据独立于物理环境 从系统实现观点来看 关心数据的物理结构 数据被文件系统按照某种规则排列和存放到物理存储介质上 12 二 文件的逻辑结构 1 流式文件流式文件是相关的有序字符的集合 是无结构的 流式文件是按信息的个数或以特殊字符为界进行存取的 文件内的数据不再组成记录 只是依次的一串信息集合 可以看成是只有一个记录的记录式文件 文件常按长度来读取所需信息 也可用插入特殊字符作为分界 13 二 文件的逻辑结构 续 2 记录式文件记录式文件是一种有结构的文件 这种文件在逻辑上总是被看成一组连续顺序的记录的集合 记录可分为定长记录与变长记录 逻辑记录的概念被应用于许多场合 特别象数据库管理系统中已是必不可少的了 14 二 文件的逻辑结构 续 3 两种文件的比较流式文件就象给一张白纸给用户 用户可将他的信息任意地写到纸上 没有任何格式上的限制 记录式文件就象给一张表格给用户 用户要按表规定的格式填信息 15 三 文件的存取方法 1 顺序存取后一次存取总是在前一次存取的基础上进行的 顺序存取时不必给出具体的存取位置 2 随机存取用户以任意次序请求某个记录 随机存取时要指出起始存取位置 例如记录号 字符序号 16 三 文件的物理结构 基本概念卷 卷是存储介质的物理单位 文件和卷单文件卷多文件卷多卷文件多卷多文件 17 块 块是存储介质上连续信息所组成的一个区域 也叫物理记录 块是主存储器和辅助存储设备信息交换的物理单位 每次交换一块或整数块 决定块的大小要考虑到用户使用方式 数据传输效率和存储设备类型等多种因素 不同类型的存储介质 块的长短常常各不相同 同一类型的存储介质 块的长短也可以不同 间隙是块之间不记录用户代码信息的区域 18 19 逻辑记录和块的关系 逻辑记录是按信息在逻辑上的独立含义划分的单位 块是存储介质上连续信息所组成的区域 一个逻辑记录被存放到文件存储器的存储介质上时 可能占用一块或多块 也可以一个物理块包含多个逻辑记录 文件比作书 逻辑记录比作书中的章节 那么 卷是册而块是页 书和章节相当于文件和逻辑记录 是逻辑概念 而册和页相当于卷和块 是物理概念 20 三 文件的物理结构 续 文件的物理结构描述了文件在辅存上安置 链接和编目的方法 常用的文件物理结构有 连续文件串联文件索引文件 21 一 连续文件 1 什么是连续文件连续文件结构是由一组分配在磁盘连续区域的物理块组成的 22 一 连续文件 续 2 连续文件的特点连续存取时速度较快文件长度一经固定便不易改变文件的增生和扩充不易问题 在连续文件结构下 当要存取记录ri时 应如何操作 23 二 串联文件 1 什么是串联文件串联文件结构是按顺序由串联的块组成的 即文件的信息存于若干块物理块中 每个物理块的最末一个字作为链接字 它指出后继块的物理地址 文件的最后一块的链接字为结束标记 它表示文件至本块结束 24 二 串联文件 续 2 串联文件的结构 25 二 串联文件 续 3 串联文件的特点能较好地利用辅存空间易于对文件进行增生和扩充连续存取时速度较快问题 在串联文件结构下 当要存取记录ri时 应如何操作 26 三 文件映照 为了克服链接文件的存取效率太低的问题 人们提出文件映照的技术 即把链接文件中的链接字集中在一结构中 这样既保持了链接文件的优点 也克服了其缺点 dos windows系统就采用了这样结构 27 fat 文件分配表 磁盘格式化后建立 从磁盘的第二个扇区开始 有两个相同的fat 磁盘的类型 fdf 双面 fch 单面 9扇区 磁道 f8h 硬盘000h 空闲簇fffh 文件的结尾簇xxxh 文件的下一簇 28 四 索引文件 1 什么是索引文件系统为每个文件建立逻辑块号与物理块号的对照表 这张表称为该文件的索引表 文件由数据文件和索引表构成 这种文件称为索引文件 29 四 索引文件 续 2 索引文件结构 30 四 索引文件 续 3 索引文件的操作索引文件在存储区中占两个区 索引区和数据区 索引区存放索引表 数据区存放数据文件本身 访问索引文件需要两步操作 查文件索引 由逻辑块号查得物理块号由此磁盘物理块号而获得所要求的信息 31 四 索引文件 续 4 索引文件的特点易于文件的增删直接读写任意记录5 索引表的组织 多级索引假设一个物理块的大小为512b 一个索引项占用2个字节 则一个索引块最多可容纳256个索引项 若每个索引项直接指向数据块 则该文件的最大可占用256块 即256 512 128kb 显然实际应用中很多文件都超出了这个长度 32 33 几种文件物理结构的比较 连续文件的优点是不需要额外的空间开销 只要在文件目录中指出文件的大小和首块的块号即可 对顺序的访问效率很高 适应于顺序存取 缺点是动态地增长和缩小系统开销很大 文件创建时要求用户提供文件的大小 存储空间浪费较大 34 串联文件克服了连续文件的不足之处 但文件的随机访问系统开销较大 适应于顺序访问的文件 dos及windows系统中改造了串联文件的结构 使其克服了串联文件的不足 但增加了系统的危险性 35 索引文件既适应于顺序存访问 也适应于随机访问 是一种比较好的文件物理结构 但要有用于索引表的空间开销和文件索引的时间开销 unix系统是使用索引结构成功的例子 在当前流行的一些unix操作系统的版本中 同时支持连续文件结构和索引文件结构 36 存储介质 物理结构 存取方式 磁带 连续结构 顺序存取 磁盘 连续 链接 索引 顺序 顺序 顺序 随机 随机 37 文件存储空间的管理 1 空闲文件目录将所有空闲块记录在一个表中 即空闲块表表中有两项 起始块号 空闲块个数 2 空闲块链把所有空闲块链成一个链 每个空闲块中有指向下一个空闲块的指针 所有空闲块构成一个链表 不需要磁盘分配表 节省空间 每次申请空闲块只需取出链表开头的空闲块即可 38 文件存储空间的管理 续 3 位示图用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况 每个物理块对应一位 分配物理块为1 否则为0 申请物理块时 在位示图中查找为0的位 返回对应物理块号 归还时 将对应位转置0 描述能力强 适合各种物理结构 39 40 四 文件目录及其结构 一 文件目录有关概念1 什么是文件目录文件目录是记录文件的名字 存放地址及与文件有关的说明信息和控制信息的数据结构 2 文件目录的内容 1 文件名 2 文件逻辑结构 说明该文件的记录是否定长 记录长度及记录个数等 41 3 文件物理结构 记录文件的物理结构形式 连续文件 指出文件第一块的物理地址 文件所占块数串联文件 指出该文件第一块的物理地址索引文件 指出索引表地址 4 存取控制信息登记文件主本人具有的存取权限 核准的其他用户及其相应的存取权限 42 5 管理信息 记录文件建立日期 时间 上一次存取时间 要求文件保留的时间等信息 6 文件类型 记录文件的类型 例如可分为数据文件 目录文件 块存储设备文件 字符设备文件 43 文件目录结构 一级文件目录二级文件目录多级文件目录 树型文件目录 44 一级文件目录 1 什么是一级文件目录系统将已建立的所有文件的文件名 存放地址及有关的说明信息放在一张表中 这张表称为一级文件目录 表9 2一级文件目录文件名物理地址其它信息sqrttestcompilerassemblergabczhang 45 2 一级文件目录的特点 比较简单 要求文件名和文件之间有一一对应的关系 即不允许两个文件有相同的名字 什么是重名问题 所谓 重名 是指不同用户对不同文件起了相同的名字 即两个或多个文件只有一个相同的符号名 又称为命名冲突 为解决命名冲突 获得更灵活的命名能力 文件系统必须采用二级目录 多级目录结构 46 二级文件目录 1 什么是二级文件目录将文件目录分成主文件目录和用户文件目录两级 每个用户建立一个文件目录 它登记该用户建立的所有文件名及其在辅存中的位置和有关说明信息 主目录则登记进入系统的各个用户文件目录的情况 这样就形成了二级目录的结构 47 2 二级文件目录结构 48 3 二级文件目录的特点 二级文件目录结构解决了命名冲突 即允许在不同用户目录下 文件名可以相同 方法 存取一个文件时要给出文件路径名 在二级文件目录下 一个文件的路径名是由用户名和文件名拼起来得到的 如 用户wang的文件beta的路径名为 wang beta 用户gao的文件beta的路径名为 gao beta 49 树型文件目录 1 什么是树型文件目录在多级目录系统中 除最末一级外 任何一级目录的目录项可以描述一个目录文件 也可以描述一个非目录文件 数据文件 而数据文件一定在树叶上 这样 就构成了一个树形层次结构 50 2 树型文件目录结构 图9 11 51 3 文件路径名 多级目录中 文件的路径名是由根目录到该文件的通路上所有目录文件符号名和该文件的符号名组成的字符串 相互之间用分隔符分隔 如 图9 11中id为15的文件 其文件路径名为从根目录开始 b f j 文件路径名的作用 当用户进程使用路径名来存取文件时 文件系统将根据这个路径名的顺序来查访各级目录 从而确定所要文件的位置 52 4 解决命名冲突 在树型文件目录结构中 能更方便地解决命名冲突问题 例 图9 11中id为13的文件与id为20的文件有相同的文件名 都为a id为13的文件的文件路径名 id为20的文件的文件路径名 53 id为13 文件路径名为从根目录开始 a a a id为20 文件路径名为从根目录开始 b d a 54 5 当前目录 当前目录 又称值班目录 它是当前用户正在使用的文件所在的目录 当指定当前目录后 用户对文件的所有访问都是相对于 当前目录 进行的 这时 文件路径名是由 当前目录 到信息文件的通路上所有各级目录的符号名加上该信息文件的符号名组成 例如 当指定当前目录为id 3时 id为20的文件路径名为 d a 55 五 文件共享与安全 一 文件共享1 什么是文件共享所谓文件共享 是指某一个或某一部分文件可以让事先规定的某些用户共同使用 2 建立 当前目录 实现文件共享系统规定标识文件的通路可以往上 走 并用 表示一个给定目录文件的父结点 例 设当前目录为id 8 想共享子目录c的文件a id 12 56 当前目录id 8 共享子目录c的文件a id 12 使用文件路径名 c a 访问文件12 57 3 采用 链接技术 实现文件共享 所谓 链接 就是在相应目录表目之间进行链接 即一个目录中的表目直接指向另一个目录表目所在的物理位置 注意 这种链接不是直接指向文件 而是指向相应的目录表目 这种办法也称为连访 被共享的文件称为连访文件 58 树型文件目录结构中的链接 59 例 图9 11中有两个链接子目录f共享子目录e中的文件j子目录d共享子目录c中的文件a假定当前目录为id 8 1 子目录f共享子目录e中的文件j用文件路径名k直接存取文件j id 17 2 子目录d共享子目录c中的文件a用文件路径名 d f 存取文件a id 12 假定当前目录为id 10对 2 则可用f直接存取文件a id 12 60 二 文件安全 1 什么是文件安全所谓文件安全 就是文件的保护问题 文件的保护是指文件本身不得被未经文件主授权的任何用户存取 而对于授权用户也只能在允许的存取权限内使用文件 2 如何进行文件的保护需要对用户的权限进行验证 所谓存取权限的验证 是指用户存取文件之前 需要检查用户的存取权限是否符合规定 符合者允许使用 否则拒绝 61 3 存取权限的类型及验证 存取权限 excute read update write de