第七节 文件系统及接口

1、第七节第七节 文件系统及接口文件系统及接口7、1 文件和文件系统文件和文件系统 一、关于文件一、关于文件： 定义：文件是具有文件名的一组相关信息的集合。从结定义：文件是具有文件名的一组相关信息的集合。从结构上可分为有结构的记录式文件和无结构的字符流式文构上可分为有结构的记录式文件和无结构的字符流式文件，在文件系统中，文件是一个最大的数据单位。件，在文件系统中，文件是一个最大的数据单位。 文件属性通常包括：文件属性通常包括： 1）文件类型）文件类型可从不同角度来规定其类型；可从不同角度来规定其类型； 2 2）文件长度）文件长度单位可以是字节、字或块；单位可以是字节、字或块； 3 3）物理位置）物

2、理位置指示文件当前所处设备及具体位置；指示文件当前所处设备及具体位置； 4 4）存取控制）存取控制规定各类用户对该文件的访问权限；规定各类用户对该文件的访问权限； 5 5）建立时间）建立时间通常指文件最后一次被修改的时间；通常指文件最后一次被修改的时间； 记录：一组相关数据项的集合，有结构文件的基本单位记录：一组相关数据项的集合，有结构文件的基本单位 数据项：数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即数据项：数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即组成记录的原子数据。组成记录的原子数据。 二、文件分类方法：二、文件分类方法： 按用途分类：系统文件、用户文件、库文件；其按用途分类：系统文件、用户文

3、件、库文件；其中系统文件只允许用户调用，不允许用户读和修中系统文件只允许用户调用，不允许用户读和修改。改。 按文件中的数据形式分类：源文件、目标文件、按文件中的数据形式分类：源文件、目标文件、可执行文件；其中源文件通常由可执行文件；其中源文件通常由ASCII码或汉字码或汉字组成，目标文件是已经编译但尚未链接的二进制组成，目标文件是已经编译但尚未链接的二进制文件，可执行文件则是编译且链接后所形成的文文件，可执行文件则是编译且链接后所形成的文件。件。 按存取控制属性分类：只执行文件、只读文件、按存取控制属性分类：只执行文件、只读文件、读写文件；这些都是为已核准用户规定的访问权读写文件；这些都是为已

4、核准用户规定的访问权限。限。 按逻辑结构分类：有结构记录式文件、无结构流按逻辑结构分类：有结构记录式文件、无结构流式文件式文件 按物理结构分类：顺序文件、链接文件、索引文按物理结构分类：顺序文件、链接文件、索引文件件 三、文件系统模型三、文件系统模型 该模型分为三个层次，最底层是被操作对象及其相关属该模型分为三个层次，最底层是被操作对象及其相关属性；最上层是系统提高给用户的接口；中间是文件系统性；最上层是系统提高给用户的接口；中间是文件系统功能实现的核心软件层，它是实现操作的软件集合。功能实现的核心软件层，它是实现操作的软件集合。 文文 件件 系系 统统 接接 口口 对对象操对对象操 纵纵和管

5、理的软和管理的软件集合件集合 逻逻 辑辑 文文 件件 系系 统统 基本基本I/O管理程序（文件组织模块）管理程序（文件组织模块） 基本文件系统（物理基本文件系统（物理I/O层）层） I/OI/O控制层（设备驱动程序）控制层（设备驱动程序） 对对 象象 及及 其其 属属 性性 说说 明明 四、文件系统的功能四、文件系统的功能 1）文件存储空间的管理；）文件存储空间的管理； 2）对文件目录的管理；）对文件目录的管理； 3）地址映射；）地址映射； 4）文件的读、写管理；）文件的读、写管理； 5）文件的共享与保护；）文件的共享与保护； 在这些功能的实现中，通常又进一步划分成几个层次在这些功能的实现中，

6、通常又进一步划分成几个层次（如上图所示）。其中有的层次用于处理物理文件系统；（如上图所示）。其中有的层次用于处理物理文件系统；有的层次用于处理逻辑文件系统。有的层次用于处理逻辑文件系统。 五、文件系统的接口五、文件系统的接口 1）命令接口：用户可以从终端键入命令实现操作；）命令接口：用户可以从终端键入命令实现操作； 2 2）程序接口：用户程序可通过系统调用实现操作；）程序接口：用户程序可通过系统调用实现操作； 3 3）GUIGUI接口：用户可在图形窗口点击鼠标实现操作。接口：用户可在图形窗口点击鼠标实现操作。 六、文件操作六、文件操作 对记录的操作对记录的操作用户用得最多的一类操作：用户用得最

7、多的一类操作： 1 1）检索一个文件中的所有记录；例如：统计成绩。）检索一个文件中的所有记录；例如：统计成绩。 2 2）检索一个文件中的某个记录；例如：查找。）检索一个文件中的某个记录；例如：查找。 3 3）插入一个新记录到文件中的适当位置；）插入一个新记录到文件中的适当位置； 4 4）对一个检索到的特定记录进行修改；）对一个检索到的特定记录进行修改； 5 5）删除一个已存在文件中的指定记录；）删除一个已存在文件中的指定记录； 对文件的操作对文件的操作用户通常需要进行的操作：用户通常需要进行的操作： 1 1）创建）创建/ /删除文件；需分配或回收必要的外存空间。删除文件；需分配或回收必要的外存

8、空间。 2 2）读）读 / / 写文件；需知道相应文件的文件名和内存地址写文件；需知道相应文件的文件名和内存地址 3 3）截断文件；对旧文件，当文件名和其属性无改变）截断文件；对旧文件，当文件名和其属性无改变时，可放弃原有文件的内容，将其长度设为时，可放弃原有文件的内容，将其长度设为0 0。 4 4）设置文件的读）设置文件的读 / / 写位置；用于设置文件读写位置；用于设置文件读 / / 写指针写指针7、2 目录管理及文件共享保护目录管理及文件共享保护 一、文件控制块和索引结点一、文件控制块和索引结点 文件控制块（文件控制块（FCB)FCB)包含三类信息：包含三类信息： 1 1）基本信息：）基

9、本信息： 文件名。用于标识文件；文件名。用于标识文件； 文件物理位置。包括设备名、盘块号、文件长度；文件物理位置。包括设备名、盘块号、文件长度； 文件逻辑结构。指示文件为流式文件文件逻辑结构。指示文件为流式文件/ /记录式文件记录式文件 2 2）存取控制信息：文件主权限；）存取控制信息：文件主权限； 核准用户权限；核准用户权限； 一般用户权限；一般用户权限； 3 3）使用类信息：文件的建立日期和时间；）使用类信息：文件的建立日期和时间； 文件上一次修改的日期和时间；文件上一次修改的日期和时间； 当前使用信息。包括当前已打开该文当前使用信息。包括当前已打开该文件的进程数，是否被其它文件锁住、在内

10、存中被修改否件的进程数，是否被其它文件锁住、在内存中被修改否 关于索引结点 1)索引结点的引入:当文件 很多时,其目录项可能要占很多空间,也影响检索速度.实际检索中只用到了文件名,当被检索的文件名相匹配时才需目录项的实际地址,因此可将文件名与文件属性信息分离,这样,属性信息就单独形成一个索引结点的数据结构. 2)磁盘索引结点每个文件有唯一一个磁盘索引结点包括: 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；文件连接计数；文件存取时间。 3）内存索引结点文件打开时将索引结点拷贝到内存 包括：索引结点编号：标识内存索引结点；状态：指示该i结点是否已上锁或已被修改；访问计数：即当前有多

11、少个进程访问过；文件所在设备的逻辑设备号；链接指针：包括指向空闲链表和散列队列的指针 二、目录结构和查询技术二、目录结构和查询技术 目录结构目录结构 1）单级目录结构）单级目录结构整个系统建立一张目录表；特点：整个系统建立一张目录表；特点：简单，但查找速度慢，不允许重名，不便于文件共享。简单，但查找速度慢，不允许重名，不便于文件共享。 2 2）两级目录结构）两级目录结构每个用户建立一个单独的用户文件每个用户建立一个单独的用户文件目录，用户在其目录下可以根据需要创建文件；特点：目录，用户在其目录下可以根据需要创建文件；特点：提高了检索速度；在不同的用户目录中可以有同名文件；提高了检索速度；在不同

12、的用户目录中可以有同名文件；不同的用户可以使用不同的文件名访问同一文件。不同的用户可以使用不同的文件名访问同一文件。 3 3）树型目录）树型目录在两级目录基础上，又允许用户创建自在两级目录基础上，又允许用户创建自己的子目录就形成多级目录；特点同上，但更灵活。己的子目录就形成多级目录；特点同上，但更灵活。 查询技术查询技术 1 1）按名查询找出该文件的）按名查询找出该文件的FCBFCB或索引结点或索引结点i i； 2 2）根据）根据FCBFCB或或i i结点找到文件的物理地址（盘块号）；结点找到文件的物理地址（盘块号）； 3 3）启动磁盘驱动程序，将所需文件读入内存。）启动磁盘驱动程序，将所需文

13、件读入内存。 三、文件共享三、文件共享 1）绕弯路法）绕弯路法用户所访问的所有文件都是相对于当前用户所访问的所有文件都是相对于当前 目录，即先向上到达其上级，再向下找到共享文件；目录，即先向上到达其上级，再向下找到共享文件； 2 2）连访法）连访法为提高访问速度，在相应目录项间建立链为提高访问速度，在相应目录项间建立链接，即在目录项内设置指针直指共享文件的目录项；接，即在目录项内设置指针直指共享文件的目录项； 3 3）利用基本文件目录实现共享）利用基本文件目录实现共享将系统赋予该文件的将系统赋予该文件的唯一唯一IDID号与相应文件的符号名建立对应关系表；号与相应文件的符号名建立对应关系表； 4

14、 4）基于索引结点的共享）基于索引结点的共享在树型结构目录中，当有两在树型结构目录中，当有两个（或多个）用户需共享一个子目录或文件时，必须将个（或多个）用户需共享一个子目录或文件时，必须将共享文件或子目录链接到两个（或多个）用户的目录中共享文件或子目录链接到两个（或多个）用户的目录中 5 5）利用符号链实现共享）利用符号链实现共享用户用户A A为了共享用户为了共享用户B B的一个的一个文件文件F F，可由系统创建一个，可由系统创建一个LINKLINK类型的新文件，将新文类型的新文件，将新文件件F F写入写入A A的用户目录中，以实现的用户目录中，以实现A A的目录与文件的目录与文件F F的链的

15、链接。新文件中仅包含被链接文件接。新文件中仅包含被链接文件F F的路径名。的路径名。 四、文件保护四、文件保护 为确保文件系统的安全性，通常采取如下措施：为确保文件系统的安全性，通常采取如下措施： 1 1）通过存取控制机制）通过存取控制机制用以防止由人为因素造成的不用以防止由人为因素造成的不安全；安全； 2 2）通过系统容错技术）通过系统容错技术用以防止系统部分的故障所造用以防止系统部分的故障所造成的文件不安全性；成的文件不安全性； 3 3）通过）通过“后备系统后备系统”用以防止自然因素所造成的文用以防止自然因素所造成的文件的不安全性；件的不安全性； 具体方法有：具体方法有： 保护域保护域指出

16、进程所能访问的对象，进程在域内运行；指出进程所能访问的对象，进程在域内运行； 访问矩阵访问矩阵行代表域，列代表对象，矩阵中每一项是由行代表域，列代表对象，矩阵中每一项是由 一组访问权组成；一组访问权组成； 分级安全管理分级安全管理在系统级、用户级、目录级、文件级四在系统级、用户级、目录级、文件级四个级别上对文件进行安全性管理。个级别上对文件进行安全性管理。7、3 外存空间的管理外存空间的管理 一、格式化和外存分配一、格式化和外存分配 外存大多指磁盘，一张新磁盘必须经过格式化：外存大多指磁盘，一张新磁盘必须经过格式化： 1）磁道）磁道磁盘上与磁盘同心的一系列园环，每条磁道磁盘上与磁盘同心的一系列

17、园环，每条磁道上存储相同数目的二进制位。密度指每英寸中存储的位上存储相同数目的二进制位。密度指每英寸中存储的位 2 2）扇区）扇区每条磁道又可以分成若干区域，称为扇区，每条磁道又可以分成若干区域，称为扇区，每个扇区存储数据量相同；每个扇区存储数据量相同； 3 3）磁盘容量：）磁盘容量： 盘面数盘面数每面磁道数每面磁道数每道扇区数每道扇区数每扇区字节数每扇区字节数 外存分配应考虑的问题主要有：外存分配应考虑的问题主要有： 1 1）怎样才能有效地利用外存空间；）怎样才能有效地利用外存空间； 2 2）提高对文件的访问速度；）提高对文件的访问速度； 常用的分配方法：连续分配、链接分配和索引分配。常用的

18、分配方法：连续分配、链接分配和索引分配。 二、二、DOS系统的外存分配及文件读写系统的外存分配及文件读写 DOSDOS系统分配磁盘空间以系统分配磁盘空间以“簇簇”（逻辑扇区）为单位（逻辑扇区）为单位 簇与格式化磁盘所形成的物理扇区的对应关系为：簇与格式化磁盘所形成的物理扇区的对应关系为： 1 1簇簇1 1 ，或，或 2 2，或，或4 4物理扇区物理扇区 DOSDOS中文件的特征信息：（中文件的特征信息：（FCBFCB的构成）的构成）1 8 9 11 12 13 221 8 9 11 12 13 22 DOSDOS系统将磁盘格式化后即把磁盘分为四个区域：系统将磁盘格式化后即把磁盘分为四个区域：

19、1 1）引导区在）引导区在0 0面面0 0道道1 1扇区，用做引导系统扇区，用做引导系统 2 2）根目录区（）根目录区（FDTFDT），存放根目录项；），存放根目录项； 3 3）文件分配表（）文件分配表（FAT)FAT)，存放文件链指针，存放文件链指针 4 4）用户数据区，存放各类数据文件。）用户数据区，存放各类数据文件。 文件名 扩展名 文件属性 DOS留用 变更时间 变更日期 首簇号 文件大小 引导区根目录区文件分配表用户数据区 DOS系统读文件的过程：系统读文件的过程： 文件名首簇号 File10005File40010 006 007 003FFFFFF 002 00800050003

20、00070010000800020006file1file2 DOS系统写文件过程系统写文件过程：开始开始查查FAT表找表找0000的表项的表项找到找到0000表项表项？是否第一簇是否第一簇？文件写入该表项编文件写入该表项编号对应的数据区并号对应的数据区并将表项编号写入将表项编号写入FAT中上一数据区对应的中上一数据区对应的表项位置表项位置文件写入该表项文件写入该表项编号对应的数据区编号对应的数据区并将表项编号写入并将表项编号写入文件文件FCB中首簇号中中首簇号中显示显示“该文件无法该文件无法存储或磁盘已满存储或磁盘已满”信息信息结束结束数据写完否？数据写完否？否否否是是是 三、三、UNIX系

21、统的外存分配及管理系统的外存分配及管理 在在UNIX系统中文件的存储介质是磁盘或磁带，无论是系统中文件的存储介质是磁盘或磁带，无论是哪知外存介质，文件的组织形式均以块为基本单位。哪知外存介质，文件的组织形式均以块为基本单位。 1）空闲块的组织：）空闲块的组织： 空闲块采用成组链接法空闲块采用成组链接法将若干（如将若干（如100100个）空闲块归个）空闲块归为一组，将每组中的所有盘块号存放在其前一组的第一为一组，将每组中的所有盘块号存放在其前一组的第一个空闲块中，而仅把第一组中的所有盘块号放入超级块个空闲块中，而仅把第一组中的所有盘块号放入超级块的空闲盘块号栈中的空闲盘块号栈中超级块：超级块：109103106130161211208205222310350323308490409472415 2