第5章 文件管理

1、第5章 文件管理 操作系统 第5章 文件管理本章叙述内容： 本章叙述内容：5.1 文件的 结构； 5.2 磁盘存储空间的管理 ； 5.3 文件管理与名目结构； 5.4 文件的使用。 操作系统 5.1 文件的结构1. 文件 5.1.1 文件与文件系统 所谓“文件”,是指具有完整规律意义的一组相关信息的集合。文件与文件之间用 符号名加以标识，这个符号名被称为“文件名”。文件被存放在大容量的帮助存储器中。 当用户需要使用时，就通过文件名把相应的文件读到内存。 2. 文件系统所谓“文件系统”,是指与文件管理有关的那部分软件、被管理的文件以及管理所 需要的数据结构(如名目、索引表等)的总体。 . 按文件

2、的性质和用途，可把文件分成： 系统文件、用户文件、库文件。 . 按文件的爱护性质，可把文件分成：只读文件、读写文件、可执行文件、不爱护 文件。 . 根据文件的爱护期限，可以把文件分成：临时文件、档案文件、永久文件。 . 根据文件的存取方式，可以把文件分成：挨次存取文件、随机存取文件。 . 根据设备的类型，可以把文件分成：磁盘文件、磁带文件、打印文件。 . 根据文件的规律结构，可以把文件分成：流式文件、记录式文件。 . 根据文件的物理结构，可以把文件分成 ：连续文件、链接文件、索引文件。 . 根据文件的内容，可以把文件分成 ：一般文件、名目文件、特别文件。 3. 文件的分类 操作系统 5.1.2

3、 文件的规律结构1. 文件的两种组织形式所谓“文件的结构”,是指以什么样的形式去组织一个文件。用户总是从使用的 角度组织文件，系统总是从存储的角度组织文件。因此，从用户使用角度组织的文件， 称为文件的“规律结构”;从系统存储角度组织的文件，称为文件的“物理结构”。 2. 文件系统的主要功能在文件的规律结构与相应的物理结构间建立起映射关系，并实现两者间的转换。即 假如用户要使用他文件中的某个信息，那么文件系统就必需依据用户给出的文件名以 及所指的信息，找到这个文件，找到这个文件里的那个信息。 3. 文件的两种规律结构 种文件的规律结构为“流式文件”。流式文件以字符为操作对象，适用于进行字符流的

4、正文处理。 记录式文件：把文件信息划分成一个个记录，存取以记录为单位进行，称这种文 件的规律结构为“记录式文件”。在这种文件中，每个记录挨次编号，称为“记录号”。 在记录式文件中，总有一个数据项能够唯一地标识记录，这种数据项称为记录的“主关 键字”。查找文件中的某个记录时，按主关键字去搜寻，确定能够找到。记录中的其他 项被称为“次关键字”。利用次关键字可以对文件中的记录进 行分类。 . 流式文件：把文件视为有序的字符集合，其内部不再对信息进行组织划分，称这 . 操作系统 5.1.3 文件的物理结构1. 文件的物理结构文件按不同的组织方式存放在辅存上，就得到文件不同的“物理结构”。文件的 物理结

5、构有时也称为文件的“存储结构”。通常是以记录成组的方式把文件存放到辅 存的。即一个辅存块里，可能存放多个规律记录，块是辅存与内存之间进行信息传输 的单位。在文件的物理结构里，把块称为一个“物理记录”。 2. 文件的三种物理结构 连续存放：连续文件 用户总是把自己的文件 信息看作是连续的。若把这 种规律上连续的文件信息依 次存放到辅存连续的物理块 中，那么所涉及的这些物理 块就构成了该文件的物理结 构。由于这些物理块是连续 的，故这种文件的物理结构 称为“挨次结构”,或“连 续文件”。 扇区号： 文件：myfile 0 1 1 2 3 4 5 3 6 磁 道 号 2 4 12 0 4 0 0 1

6、 1 2 2 3 3 . 5 6 0 1 7 2 11 3 8 5 9 6 13 10 14 15 操作系统 链接块存放：串联文件 若把规律上连续的用户文件信息存放到辅存的不连续物理块中，并在每一块里包 含一个指针，指向与它链接的下一块所在的位置，最终一块的指针放上“-1”,表示文 件的结束。那么这时所涉及的物理块，就是这个用户文件的物理结构。由于这些物理 块是不连续的，规律文件信息的连续性通过这些块里的指针表现出来，因此把该文件 的物理结构称为“链接结构”,或“串联文件”。扇区号： 文件：myfile 0 1 1 2 3 4 5 3 6 12 磁 道 号 2 4 13 5 2 14 6 -1

7、 3 15 0 4 5 6 0 8 9 14 10 9 10 1 11 7 0 0 1 1 2 2 3 3 首块指针 6 . 操作系统 索引表存放：索引文件 若把规律上连续的用户文件信息存放到辅存的不连续物理块中，系统为每个文件 建立一张索引表，表中根据规律记录存放的物理块挨次记录了这些物理块号。那么这 时所涉及的物理块，就是这个用户文件的物理结构。由于这些物理块是不连续的，逻 辑文件信息的连续性通过索引表里记录的物理块的块号反映出来，因此把这个文件的 物理结构称为“索引结构”,或“索引文件”。扇区号： 文件：myfile 0 1 1 2 3 4 5 3 6 12 磁 道 号 2 4 13 5

8、 2 14 6 -1 3 15 0 4 0 1 25 3 9 6 10 9 14 14 6 0 10 9 10 1 11 7 0 0 1 索引表 2 2 3 3 . 8 操作系统 . 用户访问文件时，可采纳挨次存取和随机存取两种方式。 1. 挨次存取 . 所谓“挨次存取”,即是根据文件记录的排列次序一个接一个地存取。为了存取 第i个记录，必需先通过记录1到记录i-1。 . 由磁带机的物理特性，文件在其上只能采纳挨次结构存放，也只能采纳挨次存取的方式对文件进行访问。对于磁盘，文件可以采纳挨次结构、链接结构、索 引表结 构在其上存放。挨次存取方式对它们都是适用的。 5.1.4 文件的存取 . 所谓

9、“随机存取”,即是可以以任何次序存取文件中的记录，无须先涉及它前面 的记录，只要给出记录号即可。 . 对磁带机上的文件，不相宜采纳随机存取的方式进行访问；对磁盘上的文件，假如该文件使用的是链接结构，那么也不相宜采纳随机存取的方式进行访问。 2. 随机存取 3. 存储设备、存储结构、存取方式间的关系存储设备 存储结构 存取方式 连续文件 挨次、随机 磁 串联文件 挨次 盘 索引文件 挨次、随机 磁 带 连续文件 挨次 操作系统 5.2 磁盘存储空间的管理 5.2.1 位示图1. 位示图详细做法是：为所要管理的磁盘设置一张位示图，其大小由磁盘的总块数打算。位 示图中的每个二进制位与一个磁盘块(假定

10、一个扇区就是一个磁盘块)对应，该位为 “1”,表示对应的块已安排；为“0”,表示对应的块空闲，可以参与安排。 2. 相对块号所谓“相对块号”,即是指从0 开头，按柱面和盘面(即磁头)的 挨次对磁盘块进行统一编号。第0字 第1字 0位 1位 2位 3位 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 30位 31位 0/1 0/1 0/1 0/1 1个柱面 . 字长为m,那么第i字第j位 对应的相对块号k是：k = im + j。 . 若每个盘面有n个扇区，相对块号k。那么求柱面号、磁头号、扇区号的公式为： 柱面号=k / m,磁头号=(k % m

11、 ) / n,扇区号=(k % m) % n . 已知柱面号、磁头号、扇区号。求其对应相对块号、字号、位号的公式为：第99字 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 3. 计算公式 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 0/1 相对块号k=柱面号m+磁头号n+扇区号，字号=k / m ,位号=k % m 操作系统 5.2.2 空闲区表1. 空闲区表系统设置一张表格，表中每个表目记录磁盘空间中的一个连续空闲盘区的信息，比 如该空闲盘区的起始空闲块号、连续的空闲块个数、以及表目的状态，称此表为“空闲 空闲 区表”。 区表 2. 存储空间的安排与释放 创建新

12、文件时，依据文件的长度查找空闲区表，从状态为“有效”的表目里找到合 适的表项进行安排；删除一个文件时，在空闲区表里找一个“空白”表项，将该文件原 先占用的连续存储空间信息填写进去，并把表项的状态改为“有效”。 5.2.3 空闲块链1. 空闲块链所谓“空闲块链”,即在磁盘的每个空闲块里设一个指针，指向另一个磁盘空闲块， 全部的空闲块形成一个链表，即空闲块链。这时，系统要设一个空闲块链首指针，链 表最终一个空闲块中的指针应当表明为结束，比如记为“-1”。 2. 存储空间的安排与释放 申请存储块时，依据链首指针从链首开头一块块地摘下安排；若释 放存储块，就把 释放的块从链首插入。当然，无论是申请还是

13、释放，都必需随时修改链首指针，并调整 空闲块里的指针。 操作系统 1. 文件掌握块 5.3.1 文件掌握块与名目 5.3 文件管理与名目结构 操作系统为每个文件开拓一个存储区，在它里面记录该文件的有关信息，该存储区 称为“文件掌握块(fcb)”。于是，找到一个文件的fcb,也就得到了这个文件的有 关信息，就能够对它进行所需要的操作了。 2. 文件掌握块的内容 置的信息也不一样，目的都是要通过这些信息得到该文件存放在哪些盘块上。这些信息 对完成文件规律结构与物理结构之间的映射是有用处的。 文件的规律结构：该信息确定文件是流式的，还是记录式的，记录是固定长度的 还是变长的，以及每个记录的长度。 文

14、件的物理结构：物理结构反映文件在辅存是如何存放的，它确定了对文件可以 采纳的存取方式，对完成规律结构与物理结构之间的映射是有用处的。 文件存取掌握信息：这些信息将规定系统中各类用户对该文件的访问权限，起到 保证文件共享、保密的作用。 文件管理信息：如文件的创建日期和时间、文件最近一次访问的日期和时间等。 . 文件名称：用户为自己的文件起的符号名，它是在外部区分文件的主要标识。 . 文件的物理位置：因文件在磁盘上的存储结构可以不同，因此指明其在辅存上位 . . . . 操作系统 5.3.2 名目的层次结构1. 一级名目结构把全部文件的fcb都登记在一个文件名目中，这样由文件名查文件名目项，直接就

15、 能够找到所需要的文件，这种文件名目为“一级名目结构”。 一个名目项文件名目 文件 zong的文件 wang的文件 ling的文件 fang的文件 test count wait help robit food class group data 2. 二级名目结构 二级名目结构由“主名目”与“用户名目”两级构成。主名目里，每个名目项的内 容只是给出文件主名以及他的名目所在的磁盘地址。在一个个用户名目里，才是由文件 fcb组成的名目。因此，二级名目结构里的用户名目，实际上就是一个一级名目。主名目(根名目): zong wang ling fang zong的名目 用户名目： test count

16、 wait wang的名目 help robit ling 的名目 food class fang的名目 group data 操作系统 3. 树型名目结构树型名目结构 树型名目结构即是名目的层次结构，允许每个用户拥有多个自己的名目。在这棵 倒置的树里，第1层为根名目，第2层为用户名目，再往下是用户的子名目。另外，每 一层名目里，既可以有子名目的名目项，也可以有详细文件的名目项。利用这种名目 结构，用户可以根据需要，组织起自己的名目层次，既敏捷，又便利。 根名目： / 路径名 用树型结构组织 文件系统时，为 c 了能明确地指定文件，不仅文件要有 a b 用户c的名目 名字，名目和子名目也都要出

17、名字。 a c 用户c的子名目 从根名目动身到详细文件所经过的各 b b b 层名字，就构成了文件的“路径名”。 . . . 肯定路径与相对路径 b c c 从根名目动身到达一个文件的路径，也称为文件的 c c “肯定路径”。要留意，文件的肯定路径名必需从根名目 动身，且是唯一的。路径名中的每一个名字之间用分隔符 c c c c 分开。用户还可指定一个名目作为当前名目(也称工作目 录),从它往下的文件的路径，称为文件的“相对路径”。一个文件的相对路径名与 当前所处的位置有关，它不是唯一的。 操作系统 想 用户访问文件时，系统依据文件名查文件名目，找到它的fcb。经过合法性检 查，从fcb里得到

18、该文件所在的物理地址，然后进行所需要的存取操作。 2. “按名存取”的实现过 程 要读文件myfile第3个记录，存 5.3.3 “按名存取”的实 “按名存取”的实 1. “按名存取”的思 现 放到数组a:a0,a1,a499中。 为此，在程序里发读命令如下： read(myfile,3,a) (1) 文件系统通过命令中供应的文件名 myfile查文件名目，看哪个文件掌握块 里记录的文件名是“myfile”。 找到了文件myfile的fcb后，系 统就把该命令转变成为： read(fcb,3,a) (2) 命令验证合法后，系统就开头进行 把对文件的读/写恳求从规律结构映射到 物理结构的工作。

19、. 块内相对字节地址 扇区号： 0 0 4 磁 1 道 号 8 2 4 12 3 5 6 13 14 相对块号 15 9 10 11 myfile的起址 5 6 0 1 7 2 3 0 1 1 2 2 规律字节地址 第3个记录 . . . 操作系统 把规律记录号3转换成相应的规律字节地址，即这个记录相对于该文件起点的字节 数。公式是： 规律字节地址=规律记录号*规律记录长度=3*500=1500 于是，命令(2)转换成： read(fcb,1500,a) (3) 把规律字节地址转换成相对块号和块内相对字节地址。公式是： 块内相对字节地址 相对块号=(规律字节地址/物理块尺寸) +相对起始块号=

20、(1500/1000)+6=1+6=7 扇区号： 0 1 2 块内相对字节地址 0 1 2 规律字节地址 第3个记录 =规律字节地址%物理块尺寸 0 =1500%1000=500 myfile的起址 于是，命令(3)转换成： 4 5 7 6 磁 1 read(fcb,7,500,a) (4) 1 3 0 2 道 把相对块号转换成物理地址:道号和 号 块号。公式是： 10 11 8 9 2 道号=相对块号/每道块数=7/4=1 4 5 6 相对块号 块号=相对块号%每道块数=7%4=3 12 13 14 15 于是，命令(4)转换成： read(fcb,1,3,500,a)(5)至 3 此，文件

21、系统实现了由规律记录到物理记 录的转换。 . . . 操作系统 5.4 文件的使用 5.4.1 文件的共享1. 文件共享的含义所谓文件的“共享”, 是指一个文件可以被多个授权的用户共同使用。文件共享不 仅削减了文件复制操作花费的时间，节约了大量文件的存储空间，而且也为不同用户完 成各自的任务所必需。 2. 文件共享的两种情形 用户只有等到该用户使用完毕、将其关闭后，才能把它重新打开，然后使用，即“大 家都能使用，但一次只能一个用户用”。 允很多个用户同时使用同一个共享文件，但只允很多个用户同时打开共享文件 进行读操作，不允很多个用户同时打开共享文件后有读有写，也不允很多个用户同时 打开共享文件

22、后同时进行写操作。 . 任何时刻只允许一个用户使用共享文件，在一个用户打开共享文件后，另一个 . . 文件主不仅要指明哪些用户能够使用这个文件，哪些用户不能使用这个文件， 还要指明可以使用该文件的用户的使用权限，。这些信息都将记录在fcb里。 . 要共享的用户必需能找到这个文件。 3. 文件共享的实现 操作系统 5.4.2 文件的爱护1. 文件爱护的含义“文件爱护”是指要防止未经授权的用户使用文件，也要防止文件主自己错误地使 用文件而给文件带来损害。 文权 件 用 户限 2. 文件爱护的方法 文件1 r rwe r 文件2 rwe 文件3 r rw 文件4 rw 文件5 存取掌握矩阵 用户a

23、所谓“存取掌握矩阵”,即 用户b 系统维持一个二维表，一维列 用户c 出系统中的全部文件名，一维 用户d 列出系统中的全部用户名，在 行、列交汇处给出用户对文件的存取权限。 . rw r r rwe rwe 假如只按存取掌握矩阵的列存储，且只存储 文件主：(用户b) 非空元素，就形成了所谓的 “存取掌握表”。存取 同组用户：(用户a,用户c) r 掌握表以文件为单位构成，每个文件一张，可以 其他用户：(用户d) 把它存放在文件掌握块fcb里。在形成文件的存 取掌握表时，应对用户分组，如：“文件主”、“同组用户”、以及“其他用户” 三类(当然还可以多分),然后给予各类用户对此文件的不同存取权限。

24、 . 存取掌握表 文件1 操作系统 3. 权限表假如只按存取掌握矩阵的行存储，且只存储非空元素， 就形成了所谓的“权限表”。权限表以用户为单位构成，记 述了用户对系统中每个文件的存取权限。通常，用户的权限 表被存放在他的进程掌握块pcb里。文件名 文件1 用户a 文件2 文件3 文件4 文件5 权限 r rwe r rw 4. 口令 当用户发出对某个文件的使用恳求后，系统会要求他给出 口令，用户就要在键盘上键入口令，否则无法使用它。当然， 用户键入时，口令不会在屏幕上显示，以防止旁人窥视。只有输入的口令核对无误，用 户才能使用指定的文件。 行传递，因此操作系统应当供应一个环境，以保 证信息使用

25、的私密和共享，这是内部 平安问题 。 另一方面，操作系统还需要供应各种手段，防止来自各方的有意或无意的入侵和 攻击，这是外部平安问题。事实上，比起对人为入侵者(比如黑客)的防范，关注数据 的意外丢失(比如发生火灾、突然断电等)显得更为重要，由于它们的发生会带来更为 惨痛的、无法挽回的损失。所以，操作系统的文件系统必需解决文件的备份问题。 . 当前，个人信息、商业和政府部门的信息都被保存在计算机里，都要在网络中进 5.4.3 文件的备份 . 操作系统 如有8个磁盘，则可将每个字节的第i位写到第i个磁盘上。这样，每个磁盘都参加每次访 问，每次访问可在同样时间内与单个磁盘系统读8倍的数据相同。也就是

26、说，相比把一个 字节存放在一个磁盘上，这样的多磁盘阵列由于并行操作，其传输率提高了8倍。 其次种方法是“块级分散”,即是将文件数据分块，以块为单位分散存放在多个 磁盘上。若有n个磁盘，可把一个文件的第i块存放在第(i mod n)+1个磁盘上。比如要 处理10块数据，磁盘速度为1块/ms,cpu处理1块数据的时间是10s。在不考虑内存存储 访问开销时，对单磁盘和5个磁盘(采纳块级分散)的系统，完成任务的时间分别为： 多个磁盘 单一磁盘 每次读出一块：1ms 每次读出5块：1ms cpu处理1块：10s cpu处理5块：50s 读出10次+处理10次所需 读出2次+处理2次所需 总时间为：10ms+0.1ms=10.1ms 总时间为2m