第5章文件系统

第5章文件系统

本章学生要了解文件系统的概念、掌握文件结构及存取方法、文件存储空间管理、文件目录管理、文件共享与保护和使用等知识点。第5章文件系统

5.1文件系统的概念

5.2文件结构及存取方法

5.3文件存储空间管理

5.4文件目录管理

5.5文件共享与保护

5.6

文件的使用

5.7

小结

5.1.1文件和文件系统

5.1.2文件分类5.1.3文件系统的功能5.1文件系统的概念文件实质上是操作系统对存储设备的物理特性进行抽象而定义的一个逻辑存储单元文件系统是文件管理系统的简称，是操作系统中实现文件统一管理的一组软件、被管理的文件以及为实施文件管理所需要的一些数据结构的总称5.1.1文件和文件系统

文件分类按用途划分按照对文件实施的保护级别分类按使用情况分类从用户的观点分类按存取的物理结构分类按文件的逻辑存储结构分类按文件中信息的流向分类按文件中的数据形式分类5.1.2文件分类文件按用途划分系统文件。由操作系统及其它系统程序有关的一些信息所组成的文件。库文件。由标准子程序及常用的实用程序组成的文件。用户文件。由用户的信息所组成的文件，如用户的源程序文件，数据文件，目标代码文件，计算结果文件等。5.1.2文件分类对文件实施的保护级别分类只读文件。允许对其执行读操作的文件，不允许执行其它操作的文件。读写文件。允许拥有者和授权者对其执行读写操作，而禁止其它用户对其进行任何访问的文件。执行文件。允许用户调用执行，但不允许读，也不允许写的文件。不保护文件：没有任何访问限制的文件5.1.2文件分类按使用情况分类临时文件：用于系统在工作过程中产生的中间文件永久文件：指受系统管理的各种系统文件和用户文件，经过安装、编辑、编译生成的文件档案文件：系统或一些使用工具软件包在工作过程中记录在案的文档资料文件5.1.2文件分类从用户的观点分类普通文件：是系统中最一般组织格式的文件，用ls–l命令列文件清单时目录文件：是由文件的目录信息构成的特殊文件特殊文件（设备驱动程序）：在UNIX或Linux中所有的I/O设备都被看成特殊文件5.1.2文件分类按存取的物理结构分类顺序文件：文件中的记录，顺序地存储到连续的物理块中，顺序文件中记录的次序，与它们存储在物理介质上存放的顺序是一致的，并且是连续存放的。链接文件：文件中的记录可存放在并不相邻的各个物理块中，通过物理块中的链接指针组成一个链表管理，形成一个完整的文件索引文件：文件的记录可存储在并不相邻的各个物理块中，记录和物理块之间通过索引表项按关键字存取文件5.1.2文件分类按文件的逻辑存储结构分类有结构的记录式文件：由若干个记录所构成的文件，根据记录的长度特点又可分为定长记录文件和可变长记录文件。无结构的流式文件：这是直接由字符序列所构成的文件。一般来说，操作系统就是这种文件结构。也可以把流式文件看成是记录文件的特例，即其中每个记录只含有一个字符5.1.2文件分类按文件中信息的流向分类源文件：是指源程序和数据构成的文本文件目标文件：由源程序经过相应的计算机编译程序编译，但尚未经过链接程序链接的目标代码所形成的文件执行文件：目标文件经过与计算机系统提供的库函数及相关的子程序链接后形成的文件5.1.2文件分类按文件中的数据形式分类输入文件：指从输入设备上输入的文件。例如读卡机或纸带输入机上的文件，只能读入，所以它们都是输入文件。输出文件：指从输出设备上输出的文件。例如打印机、穿卡机等文件，只能写，所以它们都是输出文件。（3）输入输出文件：指既能输入又可输出的文件。例如在磁盘、磁鼓、磁带上的文件，既可读，又可写，这些属于输入输出文件。5.1.2文件分类实现文件存储空间管理实现文件从名字空间到外存地址空间的映射实现对文件的操作管理实现文件信息的共享和安全措施提供用户接口5.1.3

文件系统的功能

5.2.1文件的逻辑结构

5.2.2文件的物理结构

5.2.3文件的存储设备

5.2.4文件的存取方法

5.2.5文件系统的组织方式5.2文件结构和存取方法有结构的记录式文件在记录式文件中，所有的记录通常都是描述一个实体集的，有着相同或不相同的数据项无结构的流式文件无结构的流式文件是有序字符的集合，文件的长度等于该文件包含的字符数。对流式文件的访问，是利用读写指针指出下一个要访问的字符5.2.1文件的逻辑结构顺序结构:顺序结构是一种最简单的物理文件结构，它把一个在逻辑上连续的文件信息依次存放到连续的物理块中，即用物理上的顺序存储来实现文件的逻辑次序，物理顺序和逻辑顺序是一致的链式结构：链式文件结构用非连续的物理块来存放文件信息。这些非连续的物理块之间没有顺序关系，其中每个物理块设有一个指针，指向其后续连接的另一个物理块，从而使得存放同一文件的物理块链接成一个链表的形式5.2.2

文件的物理结构索引结构:索引结构要求系统为每个文件建立一张索引表，表中每一栏目表示文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号之间的映射关系Hash文件:Hash文件是目前应用最广的一种直接文件。它利用Hash函数（或称散列函数）将记录键值转换为相应记录在目录表中的索引，即表项位置5.2.2

文件的物理结构顺序存储设备:磁带是一种最典型的顺序存取设备直接存储设备：磁盘是一种直接存取的存储设备5.2.3

文件存储设备文件的存取方法：顺序存取:顺序存取严格按照文件信息单位排列的顺序依次存取，后一次存取总是在前一次存取的基础上进行，所以不必给出具体的存取位置随机存取:随机存取又称直接存取，在存取时必须先确定进行存取时的起始位置。在随机存取的方式下，文件被看作是次序编号的数据块或者记录，对文件的读写顺序没有限制5.2.4

文件的存取方法6.2.4文件结构与存贮设备以及存取方法的关系存储设备

磁盘、磁鼓磁带物理结构连续文件链式文件索引文件连续文件文件长度固定固定、可变固定、可变固定存取方法随机、顺序顺序随机、顺序顺序DOS文件管理(FAT)系统：文件分配表(FAT)一DOS文件管理系统用来给每个文件分配磁盘空间的表格，它告诉DOS，文件存放在磁盘的什么地方WindowsNT中的文件管理(NTFS)系统较好的安全性能先进的容错能力支持向下兼容5.2.5文件系统的组织方式UNIX/Linux中的i节点表：在UNIX或Linux操作系统中，文件的有关管理信息与目录项是分开的，每个文件控制块是一个称为i节点的数据结构。在文件存储设备上设立了一个专门的i节点区，称为磁盘i节点区，该区中的i节点按顺序编号。1号i节点保留不用，2号（ROOTINO）i节点用于存放文件系统的根目录。在文件系统中，i节点由“设备名/i节点号”（dev/inumber）来识别5.2.5文件系统的组织方式

5.3.1空闲文件目录5.3.2空闲块链5.3.3位示图

5.3文件存贮空间管理最简单的空闲块管理方法就是把文件存储设备中的空闲块的块号统一放在一个称为空闲文件目录的物理块中。其中空闲文件目录的每个表项对应一个由多个连续空闲块构成的空闲区，它包括空闲块个数，空闲块号和第一个空闲块号等5.3.1空闲文件目录传统的方法：空闲块链是一种较常用的空闲块管理方法。空闲块链把文件存储设备上的所有空闲块链接在一起，当申请者需要空闲块时，分配程序从链头开始摘取所需要的空闲块，然后调整链首指针。反之，当回收空闲块时，把释放的空闲块逐个插入链尾上5.3.2

空闲块链空闲文件目录和空闲块链法在分配和回收空闲块时，都需在文件存储设备上查找空闲文件目录项或链接块号，这必须经过设备管理程序启动外设才能完成。为提高空闲块的分配回收速度，用位示图进行管理5.3.3位示图

5.4.1文件的组成

5.4.2文件目录5.4.3便于共享的文件目录5.4.4目录管理

5.4文件目录管理文件的构成：文件体指文件本身的信息，它可能是前面讨论的记录式文件或字符流式文件文件说明有时也叫文件控制块(FCB)，它至少包括文件名、与文件名相对应的文件内部标识以及文件信息在文件存储设备上第一个物理块的地址。另外，根据系统要求不同，它还包括关于文件逻辑结构、物理结构、存取控制和管理信息等5.4.1文件的组成单级文件目录：是一种最简单、最原始的目录结构如果文件系统为存储设备的所有文件建立一张目录表，每个文件在其中占有一项用来存放文件说明信息二级目录结构：二级目录结构中，各个文件的说明信息被组织成目录文件，且以用户为单位把各自的文件说明划分为不同的组。然后，这些不同的组名有关存取控制信息存放在系统主目录(MFD)的目录项中

5.4.2文件目录多级目录结构：也称为树形目录结构把二级目录的层次关系加以推广，就形成了多级目录特点：(1)层次清楚，(2)解决了文件重名问题，(3)查找搜索速度快

5.4.2文件目录有三种方法可以实现文件共享：绕道法链接法基本文件目录表BFD

5.4.3便于共享的文件目录打开文件的方式：把主目录

MFD中的相应表目，也就是与待打开文件相联系的有关表目复制到内存根据(1)所复制得到的标识符，再复制此标识符所指明的基本文件目录表BDF的有关表目根据(2)所得到的子目录说明信息搜索SFD，以找到与待打开文件相对应的目录表项根据(3)所搜索到的文件名所对应的标识符id，把相应的BDF的表目项复制到内存

5.4.4目录管理文件系统的存取控制部分应做到：(1)对于拥有读、写或执行权限的用户，应让其对文件进行相应的操作。(2)对于没有读、写或执行权限的用户，应禁止他们对文件进行相应的操作。(3)应防止一个用户冒充其他用户对文件进行存取。(4)应防止拥有存取权限的用户误用文件。

5.5

文件共享与保护验证可分三步执行：(1)审定用户的存取权限。(2)比较用户权限的本次存取要求是否一致。(3)将存取要求和被访问文件的保密性比较，看是否有冲突。

5.5

文件共享与保护存取控制矩阵：存取控制矩阵方式以一个二维矩阵来进行存取控制存取控制表：存取控制表以文件为单位，把用户按某种关系划分为若干组，同时规定每组的存取权限口令：口令方式有两种。一种是当用户进入系统，为建立终端进程时获得系统使用权的口令。另一种口令方式是，每个用户在创建文件时，为每一个创建的文件设置一个口令，且将其置于文件说明中5.5

文件共享与保护加密：密码方式在用户创建源文件并将其写入存储设备时对文件进行编码加密，在读出文件时对其进行译码解密5.5

文件共享与保护

5.6

文件的使用1.对文件的操作（1）创建文件（create）（2）删除文件（delete）（3）打开文件（open）（4）读文件（read)（5）写文