《计算机操作系统》汤小丹

1、湘 潭 大 学第第8 8章章文件管理文件管理8.1 8.1 文件和文件系统文件和文件系统文件是数据的一种组织形式，文件管理系统是指文件和对文件进行操纵和管理的软件集合。基于文件系统的概念而把数据的组成分为数据项、记录和文件三级。数据项、记录和文件一、数据项：数据项可分成两种类型：基本数据项：用于描述一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，又称为数据元素或字段。它除了数据名外，还应有数据类型。表征一实体在数据项上的数据称为值。1. 组合数据项：由若干个基本数据项组成，简称组项。二、记录 是一组相关数据项的集合，用于描述一个对象某方面的属性。一个记录应包含的数据项，取决

2、于需要描述的对象的哪些方面。一个对象由于他所处的环境不同可把他作为不同的对象。 在诸多记录中。为了能唯一地标识一个记录，必须在记录的各个数据项中，确定一个或几个项，把他们的集合称为关键字。也即，关键字是能唯一标识一个记录的数据项集。三、文件 文件是具有文件名的一组相关信息的集合，可分为有结构文件和无结构文件两种。在有结构文件中，文件由若干相关记录组成，无结构文件则被看成是一个字符流。文件在文件系统中是一个最大的数据单位，描述了一个对象集。一个文件必须要有一个文件名，用户利用文件名来访问文件。 此外，文件具有自己的属性，属性可包括：文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件的存取控制、文件的建立时

3、间。 文件名和类型文件名和扩展名文件名是一个字符串，用以标识一个特定的数据集合。不同的OS对文件名的命名要求不一样。扩展名是添加在文件名后面的若干个附加字符，由称为后缀名，用于指示文件的类型，是文件名的组成部分。在大多数OS中，用“.”将文件名和后缀名分隔开。 文件类型对文件的分类有下列几种方法:一、按文件性质和用途分类：系统文件、用户文件、库文件。二、按文件中的数据形式分类：源文件、目标文件、可执行文件。三、按存取控制属性分类：只执行文件、只读文件、读写文件。四、按文件的组织形式和系统对其处理方式分类：普通文件、目录文件、特殊文件。73 3、文件系统的层次结构、文件系统的层次结构 文件系统是

4、指含有大量的文件及其属性的说明，对文件进行操纵和管理的软件，以及向用户提供使用文件的接口等的集合。文件系文件系统统接口接口逻辑逻辑文件系文件系统统基本基本I/OI/O管理程序（文件管理程序（文件组织组织模模块块）基本文件系基本文件系统统（物理（物理I/OI/O层层）I/OI/O控制控制层层（设备驱动设备驱动程序）程序）对对象及其象及其属属性性说说明明对对对对象操象操纵纵和管理的和管理的软软件集合件集合（1）文件，文件管理的直接对象。 （2）目录，对目录的组织和管理，是方便用户和提高文件存取速度的关键。（3）磁盘（带）存储空间。文件系统的核心部分。文件系统的大部分功能，都是在这一层实现。包括命令

5、接口和程序接口两类。文件系统的最底层，主要由磁盘（磁带）驱动程序组成。主要用于处理内存与磁盘(带）机系统之间数据块的交换。完成与磁盘I/O有关的大量事务，有：选择文件所在设备；进行文件逻辑块号到物理块号的转换；空闲盘块的管理；I/O缓冲的制定。 处理文件和记录的相关操作。4 4、文件操作、文件操作最基本的操作创建文件；删除文件；读文件；写文件；5设置文件的读/写位置。文件的“打开”和“关闭”操作当前OS提供的大多数对文件的操作，其过程大致分为两步：第一步是通过检索文件目录来找到指定文件的属性及其在外存上的位置；第二步是对文件实施相应的操作。为了避免多次重复地检索目录，引入open这一文件系统调

6、用。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（索引）返回给用户，以后便利用返回的索引号向系统提出操作请求。Close系统调用用来关闭文件，OS将把该文件从打开文件表中的表目上删除掉。其他文件操作8.2 8.2 文件的逻辑结构文件的逻辑结构 文件系统设计的关键要素，是将诸记录构成一个文件的方法，以及将一个文件存储到外存的方法。任何一个文件，都存在着两种形式的结构：(1)文件的逻辑结构。是从用户观点出发所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，独立于物理特性，又称为文件组织。(2)文件的物理结构，又称为文件的存储结构，是文件在外存

7、上的存储组织形式，与存储介质的存储性能有关。8.2.1 8.2.1 文件逻辑结构的类型文件逻辑结构的类型 文件的逻辑结构可分为两大类：一是有结构文件(记录式文件)；二是无结构文件(流式文件)。一、有结构文件：其记录长度可分为定长和不定长两类。组织这些记录的方式有多种。而形成下述几种文件：顺序文件。由一系列记录，按某种顺序排列所形成的文件。其中的记录通常是定长记录。索引文件。当记录为可变长度时，通常为之建立一张索引表，为每个记录在表中设置一表项。索引顺序文件。是上述两种文件方式的结合。它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表项。 二、无结构文件：即流式文件，其长度以字节为单位。

8、对流式文件的访问，是利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式文件的一个特例。在UNIX系统中，所有的文件都被看作是流式文件，即使是有结构文件，系统不对文件进行格式处理。8.2.2 8.2.2 顺序文件顺序文件 文件的逻辑结构是根据用户和系统管理上的需要来组织的，可采用多张方式组织这些记录，形成多种逻辑文件。 顺序文件是指一系列记录，按某种顺序排列所形成的文件，其中的记录可以是定长的或是变长的。 顺序文件的排序方式文件中的记录可以是任意顺序的，因此，可以按照不同顺序进行排列，一般可归纳为以下两种：串结构。记录之间的顺序与关键字无关，通常的办法是按存入的时间先后来排列。顺序

9、结构。文件中的所有记录按关键字排列。 就检索效率而言，对顺序结构文件的检索比对串结构文件的检索要高。 顺序文件的优缺点顺序文件的最佳应用场合是对诸记录进行批量存取时。此时，其存取效率是所有逻辑文件中最高的。另外，只有顺序文件才能存储在磁带上，并能有效地工作。在交互应用场合，若用户要求查找或修改单个记录，这时顺序文件表现出来的性能可能很差。其另一缺点是，若想要增加或修改一个记录，都比较困难。解决的办法是为顺序文件配置一个运行记录文件，每隔一定时间就将运行记录文件与原来的主文件合并，产生一个按关键字排序的新文件。15 记录寻址R0R1R2RiRptr01I2I3IiIl定定长记录长记录文件文件I0

10、R0I1R10I0+1I0+I1+2I0I1变长记录变长记录文件文件RptrI 定长记录文件，获得第i个记录的相对于第一个记录首址的地址的公式为： Ai=il。 故实现顺序存取和直接存取都较方便. 对于可变长记录文件，获得第i个记录相对于第一个记录首址的地址则为： Ai=Ii+I 因而实现直接存取较困难，且访问的效率也低，于是采用索引方式。 178.2.3 8.2.3 索引文件索引文件1、按关键字建立索引索引号 长度 m 指针prt 0 m0 1 m1 i mi R0 R1 Ri 索引表逻辑文件是一个定长记录的顺序文件。对索引文件进行检索，是根据用户提供的关键字进行的。8.2.3 8.2.3

11、索引文件索引文件 使用按关键字建立索引表的索引文件与顺序文件一样，只能按该关键字进行检索。有时希望能按照不同属性（或不同关键字）来检索一条记录，为此需要为顺序文件建立多个索引表，即为每一种可能成为检索条件的域（属性或关键字），都配置一张索引表，在每一张索引表，都是按相应的一种属性或关键字进行排序的。原始文件（长度可便的记录）完全索引完全索引 完全索引8.2.4 8.2.4 索引顺序文件索引顺序文件 索引顺序文件是为顺序文件建立一张索引表，将顺序文件中的所有记录分成若干组，在索引表中为每组中的第一个记录建立一个索引项，其中含有记录的键值和指向该记录的指针。 检索时，首先利用用户提供的关键字去检索

12、索引表，找到该记录所在记录组中第一个记录的表项，从中得到该记录组第一个记录在主文件中的位置；然后再利用顺序查找法去查找主文件，从中找到所要求的记录。 对于一个很大的顺序文件，可以建立多级索引，即为索引文件再建立一张索引表，以提高检索效率。8.2.5 8.2.5 直接文件和哈希文件直接文件和哈希文件 采用前述的几种文件结构对记录进行存取时，都须利用给定的记录键值，先对线性表或链表进行检索，以找到指定记录的物理地址。而对于直接文件，则可根据给定的关键字，直接获得指定记录的物理地址。换言之，关键字本身就决定了记录的物理地址。这种由关键字到记录物理地址的转换，称为键值转换。组织直接文件的关键，在于用什

13、么方法进行从记录值到物理地址的转换。 哈希文件是利用Hash函数，将关键字转换为相应记录的地址。为实现文件存储空间的动态分配，通常由哈希函数所求得的并非是相应记录的地址，而是指向某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。8.3 8.3 文件目录文件目录 文件目录具有将文件名转换为该文件在外存的物理位置的功能。对文件目录的管理有以下要求： 实现“按名存取”。即用户只需提供文件名，就可对文件进行存取。 提高对目录的检索速度。从而加快对文件的存取速度。这是在设计一个大中型文件系统时所追求的主要目标。 文件共享。允许文件重名。8.3.1 8.3.1 文件控制块和索引结点文件控制块

14、和索引结点一、文件控制块FCB FCB是为文件设置的用于描述和控制文件的数据结构。文件与FCB一一对应，而把FCB的有序集合称为文件目录。换言之，一个FCB就是一个文件目录项。通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件。在FCB中包含的信息有三类： 基本信息类：包括文件名、文件物理位置（其中包括存放文件的设备名、文件在外存上的盘块号、文件长度）、文件逻辑结构、文件物理结构。 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、一般用户的存取权限。 使用信息类：包括文件的建立日期和时间、文件上一次修改的日期和时间、当前使用信息。二、索引结点 索引结点的引入在检索目录文件的过程中，只需

15、用到文件名，不需文件的描述信息，有些系统如UNIX，就把文件名和文件描述信息分开。把文件描述信息单独形成一个称之为索引结点的数据结构，简称为i结点，而在文件目录中的每个目录项，则仅由文件名和指向该文件所对应的i结点的指针所构成。这样为找到一个文件，可大大节省系统开销。磁盘索引结点指存放在磁盘上的索引结点。每个文件有唯一的磁盘i结点。主要包括：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。内存索引结点指存放在内存的索引结点。文件被打开时，要将磁盘索引结点拷贝到内存的索引结点中，以便于以后使用。其包括的内容有：索引结点编号；状态；访问计数；文件所在设备的逻

16、辑设备号；链接指针。8.3.2 8.3.2 简单的文件目录简单的文件目录单级文件目录是最简单的目录结构。在整个系统中只建立一张目录表，为每个文件分配一个目录项。单级目录结构的优点是简单，缺点则有：查找速度慢、不允许重名、不便于实现文件共享。只适用于单用户环境。文件名文件名物理地址物理地址文件说明文件说明状态位状态位AlphaReportText272 2、两级目录结构、两级目录结构 两级目录结构如图：用户名子目录指针WangZhangGaoAlphaTestReportTestBetaDeviMisxWangWang用用户户目目录录AlphaTestReportTestBeta优优点是提高了点

17、是提高了检检索目索目录录的速度、的速度、在不同的用在不同的用户户目目录录中可以使用中可以使用相同的文件名、不同用相同的文件名、不同用户户可使可使用不同的文件名用不同的文件名来访问来访问系系统统中中的同一的同一个个共享文件。共享文件。缺点是缺点是当当多多个个用用户户之之间间要要相互合作去完成同一相互合作去完成同一个个大大任任务务，且一用，且一用户户又要去又要去访访访问访问其他用其他用户户文件文件时时，用，用户户目目录录之之间间的隔离使的隔离使诸诸用用户户之之间间不便于共享文件。不便于共享文件。Gao UFD主文件目录MFD8.3.3 8.3.3 树型目录结构树型目录结构一、树型目录：通常把三级及

18、以上的文件目录结构称为树型结构的目录。它具有检索效率高、允许重名、便于实现文件共享等一系列优点。 主目录在树型目录结构中，作为树的根结点，称为根目录。数据文件作为树叶，其他所有目录均作为树的结点。29树形目录结构：A B C A B D F E D G A J N K J M K A H F A C 123456789101311121415161718192021 为提高文件系统的灵活性，应允许把一个目录文件中的目录项，既能作为目录文件的FCB又能作为数据文件的FCB，具体是哪一种FCB，可用目录项中的一位来表示。例如，在用户A的总目录中，目录A是目录文件的FCB，而目录B和D，则是数据文件

19、的FCB。二、路径名：从根目录到任何数据文件，只有唯一的一条通路，在该路径上从树的根开始，把全部目录文件名与数据文件名，依次用“/”连接起来，即构成该数据文件的路径名。系统中的每个数据文件都有唯一的路径名。三、当前目录：又称为工作目录，是树型目录结构中的某个结点。进程对各文件的访问都是相对于当前目录进行的。此时对各文件所使用的路径名，只需从当前目录开始，再逐级通过中间的目录文件，最后达到所要访问的数据文件。将这一路径上的全部目录文件名与数据文件名用“/”连接而成的路径名称为相对路径名。相应地，从树根开始的路径名称为绝对路径名。四、创建和删除目录：用户可为自己建立UFD(User File Di

20、rectory)和子目录，只要不同名，便可在UFD或其子目录中增加一新目录项。删除一个目录时，若该目录下没有任何文件，就可简单地将该目录文件删除，使它在其上一级目录中对应的目录项为空；若存在文件，则有两种处理方式：1、不删除非空目录：当目录中不空时，不能将其删除。若要删除，则必须先删除目录中的文件，使其成为空目录后，才能删除。若目录中还含有子目录，则须采用递归调用方式来将其删除。(MS-DOS)2、可删除非空目录：当要求删除一个目录后，则目录中的所有文件和子目录也一并删除。8.3.4 8.3.4 目录查询技术目录查询技术 为实现对文件的按名存取，系统须按下述步骤为用户找到其所需文件：系统利用用

21、户提供的文件名去查询文件目录，找出该文件的FCB或i结点；根据FCB或i结点中记录的文件物理地址，换算出文件在磁盘上的物理位置；启动磁盘驱动程序，将所需文件读入内存中。 目前，对目录进行查询的方式有两种：线性检索法和Hash法。线性检索法又称为顺序检索法。33查找/usr/ast/mbox的步骤1 1 4Bin7Dev14Lib9Etc6Usr8tmp根目根目录录 132索引索引结结点点6 6是是/usr/usr的目的目录录6 1 19Disk30Erik51Jim26Ast45bal132#132#块块是是/usr/usr的目的目录录 406索引索引结结点点2626是是/usr/ast/us

22、r/ast目目录录26 6 64Grant92Books60Mbox81Minix17Src406#406#块块是是/usr/ast/usr/ast目目录录线性检索法的例子348.4 8.4 文件共享文件共享8.4.1 8.4.1 早期实现文件共享的方法早期实现文件共享的方法一、绕弯路法：允许每个用户获得一“当前目录”，用户所访问的文件都相对于当前目录而言；当用户访问的文件不在其当前目录下时，可通过“向上走”的方式去访问其上级目录。二、连访法：在相应的目录项之间进行链接，即把一个目录中的目录项直接指向另一目录中的目录项。三、利用基本文件目录实现文件共享：在文件系统中设置一基本目录，每个文件在该

23、目录中占有一目录项，用于给出系统赋予的唯一的标识符以及该文件的有关说明，如文件的物理地址、存取控制和管理等信息。此外每个用户有一个符号文件目录，其中的每项中含有其文件的符号名及唯一的标识符。35多级目录结构：A B C A B D F F E D G A J N K J M K A H F A C 123456789101311121415161718192021F FJ JC CA A根目录访问访问文件文件17,17,其其路路径径是是: :FBEJFBEJ路路径径名名为为: :* *.E.J.E.J1 1访问访问文件文件9 9的路的路径径名是名是: :* *. .* *.C.A.C.A36多

24、级目录结构：A B C A B D F F E D G A J N K J M K A H F A C 1234567891013111214151617181920212 2a aFA用用户户B B的作的作业业D D对对用用户户C C的文件的文件A A进进行行访问访问。用。用户户B B的的当当前目前目录录是是F F。用用户户C C的文的文件，在目件，在目录录C C下。下。建立的链接a。访问的路径名是：*.D.F37Sqrt5Beta 6Mist7Alpha6Rep80af9Wang3Zhang4空闲文件目录FFD符符号号名名 IDID主文件目主文件目录录MFDMFDWangWang的的SFD

25、SFD符符号号名名 IDIDZhangZhang的的SFDSFD符符号号名名 IDIDsqrtWang的BetaZhang的AlphaMistRep0af0123456789IDID物理位置物理位置基本目基本目录录文件文件38基于索引结点的共享方式（基于索引结点的共享方式（1 1）根目根目录录A AB BC CB BB BB BB BC CC CC CB BC CC CC CC C？包含有共享文件的文件系统怎样建立该链接？若在文件目录中包含了文件的物理地址，则链接时，必须将文件的物理地址拷贝到B目录中。但若以后B或C还要继续向该文件添加新内容，从而要用附加操作Apped来增加新的盘块，但新增的

26、盘块只会出现在执行了Apped操作的目录中。这种变化对其他用户是不可见的，因此新增内容不能共享。解决的办法是引进索引结点。基于索引结点的共享方式基于索引结点的共享方式 引用索引结点，即诸如文件的物理地址及其他文件属性等信息，不再放在目录项中而是放在索引结点中。在文件目录中只设置文件名及指向相应索引结点的指针。此时由任何用户对文件进行Apped操作或修改，所引起的相应索引结点内容的改变，如新增盘块号等，都是其他用户可见的，从而也就能提供给其他用户共享。在索引结点中应有一个链接计数，表示链接到本索引结点上的用户目录项的数目。40Test rTest rWangWang用用户户文件目文件目录录Lee

27、Lee用用户户文件目文件目录录Count=2Count=2文件物文件物理地址理地址TestTest索引索引结结点点41进程B链接前后的情况：C C的目的目录录Owner=COwner=CCount=1Count=1链链接前接前B B的目的目录录Owner=COwner=CCount=2Count=2建立建立链链接后接后C C的目的目录录B B的目的目录录Owner=COwner=CCount=1Count=1拥拥有者有者删删除文件后除文件后利用符号链实现文件共享利用符号链实现文件共享 B为共享C的一个文件F，可由系统创建一个LINK类型的新文件，将新文件写入B的用户目录中，以实现B的目录与文件

28、F的链接。在新文件中只包含被链接文件F的路径名，称这样的链接方法为符号链接。新文件中的路径名，只被看作是符号链，当B要访问被链接的文件F且正要读LINK类新文件时，被OS截获，OS根据新文件中的路径名去读该文件，于是就实现了用户B对文件F的共享。 在利用符号链接方式实现文件共享时，只有文件主才拥有指向其索引结点的指针，共享该文件的其他用户，只有该文件的路径名。 该方式存在的问题是每次访问文件的开销大，增加了磁盘启动的频率，LINKE类型文件要消费一定的磁盘空间。一个很大的优点是能够用于链接世界上任何地方的机器中的文件。 基于索引结点的共享方式和符号链方式存在一个共同的问题，就是每一共享文件都具

29、有几个文件名。换言之，每增加一条链路，就增加一个文件名。这实质上是每个用户都使用自己的路径名去访问共享文件。当试图去遍历整个文件系统时，将会多次遍历到该共享文件。例如，当有一个程序要将一个目录中的所有文件转储到磁带上去时，就可能对一个共享文件产生多个拷贝。8.5 8.5 文件保护文件保护 影响文件安全性的主要因素有：人为因素；系统因素；自然因素。 为确保文件系统的安全性，可采取的措施有：通过存取控制机制来防止由人为因素所造成的文件的不安全性。通过系统容错技术，来防止系统的部分故障所造成的文件不安全性。通过后备系统来防止由自然因素所造成的不安全性。 本节主要讨论存取控制机制。458.5.1 8.

30、5.1 保护域保护域(Protection Domain)(1)(Protection Domain)(1) 保护域指出了进程所能访问的对象，每个对象都有唯一的名字，既可以是硬件对象，也可以是软件对象。进程仅在保护域内执行操作，一方面根据对象的不同，对对象所允许施加的操作有所不同。另一方面不允许进程访问所有对象，只允许进程去访问那些它必须去访问的对象，这就是所谓的须知(Read to Know)原则。 把一个进程能对某对象执行操作的权利称为访问权。每种访问权可用一有序对（对象名，权集）来表示。域是一组对象访问权的集合。F1RF2RWF3R F4RWE F6RWEPRINTERW 域1域2域3三

31、个保护域 进程与域之间的两种联系：1、静态联系：指进程的可用资源集在进程的整个生命周期中是固定的。但由于进程在运行中，往往是在不同阶段对资源以不同的方式来使用，因此必须有一种机制来改变域中的内容，使之符合Read to Know原则。在静态联系方式，应允许修改域的内容。2、动态联系：指进程的可用资源集在其整个生命周期中是变化的。即进程运行在不同的阶段时，需要从一个保护域切换到另一个保护域。因此，需要一种机制来实现这种切换，同时也应允许改变域中的内容。若不能改变域中的内容，则可先创建一个所需要新域，在进程运行到下一阶段时，再将进程从原来的保护域切换到新的保护域。8.5.2 8.5.2 访问矩阵访

32、问矩阵(Access Matrix)(Access Matrix) 访问矩阵用来描述系统的存取控制，其行代表域，列代表对象。矩阵中的每一项由一组访问权组成。每一项访问权access(i,j)定义了在域Di中执行的进程能对对象Qj施加的操作集。 访问矩阵中的访问权通常是由资源的拥有者或管理者来决定。当用户创建一新文件时，创建者便是拥有者，系统在访问矩阵中为新文件增加一列，由用户决定在该列中各项应具有的访问权。当用户删除此文件时，也要相应地将该文件在访问矩阵中的列取消。 为实现进程和域之间的动态联系，应将切换作为一种权利，仅当进程拥有切换权时，才能进行切换。为此，应将域也作为对象，当且仅当swit

33、chaccess(i,j)时，才允许进程从域Di切换到Dj。48访问矩阵的例子 对象域文件1文件2打印机1域D1域D2域D3D1RSD2R，WWSD3W8.5.3 8.5.3 访问矩阵的修改访问矩阵的修改 系统建立了访问矩阵后，随着系统的发展，用户的增加和改变，必然要经常对访问矩阵进行修改，因此，应当允许可控性地修改访问矩阵中的内容。可通过在访问权中增加拷贝权、拥有权和控制权的方法来实现。50访问矩阵的修改（访问矩阵的修改（2 2）一、拷贝权:利用拷贝权可将某个域所拥有的访问权(access(i,j)，扩展到同一列中的其他域。 对象域FILE 1 FILE 2FILE 3D1EW*D2ER*E

34、D3E 对象域FILE 1FILE 2FILE 3D1EW*D2ER*ED3ERW拷贝访问权存在以下两种变型：1、转换拷贝权。实质是转移访问权。2、限制拷贝权。接受访问权拷贝的域，不能将该访问权拷贝到其他域。 二、所有权：不仅要求将已有的访问权进行有控制的扩散，而且需要能增加或删除某种访问权。这可利用所有权来实现这些操作。若在access(i,j)中包含有所有权，则在域Di上执行的进程，可以增加或删除在j列的任何项中的任何访问权。换言之，该进程可以增加或删除在任何其他域中运行的进程对对象j的访问权。 三、控制权：拷贝权和所有权都是用于改变矩阵内在同一列的各项访问权，或者说是用于改变运行在不同域中的进程对同一对象的访问权。控制权则用于改变矩阵内一行中各项的访问权，亦即用于改变某个域中运行进程对不同对象的访问权。若access(i,j)中包含了控制权，则在域Di中运行的进程，可