(2024年)操作系统知识点总结第四章文件管理

操作系统知识点总结第四章文件管理12024/3/26CATALOGUE目录文件管理概述文件结构与组织文件目录管理文件存储空间管理文件共享与保护机制文件系统性能优化技术现代操作系统中新型文件系统介绍22024/3/26文件管理概述0132024/3/26文件概念及作用文件定义文件是操作系统中进行数据存储和管理的基本单位，通常是一组相关数据的集合。文件作用文件在操作系统中扮演着重要角色，它们用于存储程序、数据、文档等资源，支持用户和系统之间的交互，以及实现不同程序之间的数据共享和通信。42024/3/26文件是文件系统中的基本组成单位，包含用户数据和元数据（如文件名、创建时间、访问权限等）。文件目录是文件系统中的一种特殊文件，用于组织和存储其他文件和目录。通过目录，用户可以方便地组织和访问自己的文件。目录/文件夹文件系统通常采用树形结构，以根目录为起点，通过各级子目录和文件构成整个文件系统。这种结构有利于文件的管理和访问。文件系统结构文件系统组成52024/3/26文件操作常见的文件操作包括创建文件、打开文件、读/写文件、关闭文件和删除文件等。这些操作通常由操作系统提供的系统调用或库函数实现。文件访问方法文件的访问方法主要有顺序访问、随机访问和索引访问三种。顺序访问按照文件的逻辑顺序进行读写；随机访问允许直接跳转到文件的任意位置进行读写；索引访问则通过建立索引表来提高文件访问效率。文件保护与安全操作系统需要提供文件保护机制，以确保文件的完整性、保密性和可用性。这包括设置文件访问权限、采用加密技术等手段。同时，为了防止数据丢失，还需要实现文件的备份和恢复功能。文件操作与访问方法62024/3/26文件结构与组织0272024/3/26指用户所看到的文件组织形式，包括流式文件和记录式文件两种。流式文件以字节为单位进行组织，而记录式文件则以记录为单位进行组织。指文件在存储设备上的存放方法，与存储设备的物理特性有关。常见的物理结构有连续文件、串联文件和索引文件等。逻辑结构与物理结构物理结构逻辑结构82024/3/26文件中的记录按照某种顺序进行排列，通常是按照记录的键值进行排序。顺序文件的优点是访问速度快，适用于进行大量的顺序访问操作。顺序文件为文件中的每个记录或一组记录建立一个索引项，通过索引项可以快速地定位到相应的记录。索引文件的优点是支持随机访问和快速查找，但需要维护索引表，增加了存储空间的开销。索引文件顺序文件与索引文件92024/3/26散列文件利用散列函数将记录的键值映射到存储设备上的某个位置，然后通过直接访问该位置来读取或写入记录。散列文件的优点是访问速度快，适用于进行大量的随机访问操作。链式文件将文件中的记录链式地链接在一起，每个记录都包含指向下一个记录的指针。链式文件的优点是可以动态地分配存储空间，适用于记录大小不固定或需要频繁插入和删除记录的情况。但链式文件的访问速度较慢，需要遍历链表才能找到目标记录。散列文件与链式文件102024/3/26文件目录管理03112024/3/26123所有文件都放在根目录下，查找速度快，但不利于文件管理和保护。单级目录结构按用户分组，每个用户有一个自己的目录，解决了文件重名问题，但不同用户间文件共享不便。两级目录结构在两级目录结构基础上，允许用户进一步细分自己的目录，便于文件分类和管理，提高了文件系统的灵活性和可维护性。多级目录结构（树形目录结构）目录结构类型及特点122024/3/26遍历目录树按照一定规则遍历整个目录树，可用于文件搜索、备份等操作。列出目录内容显示指定目录下的文件和子目录列表。更改目录改变当前工作目录，将新目录设置为当前目录。创建目录在用户指定位置创建一个新目录，分配相应的存储空间。删除目录删除指定目录及其下所有文件和子目录，释放相应存储空间。目录操作与实现方法132024/3/26目录安全性与保护机制访问控制通过用户身份验证和权限控制，限制用户对目录和文件的访问和操作。加密保护对敏感文件和目录进行加密处理，确保数据在传输和存储过程中的安全性。日志记录记录用户对目录和文件的操作历史，便于事后审计和故障排查。备份与恢复定期对重要文件和目录进行备份，以防止数据丢失或损坏。同时提供数据恢复机制，确保在发生故障时能够及时恢复数据。142024/3/26文件存储空间管理04152024/3/26利用二进制位串表示存储空间的使用情况，0表示空闲，1表示占用。通过位运算实现空闲块的分配和回收。位示图法系统维护一个空闲块链表，链表中每个节点代表一个空闲块。分配空闲块时从链表头部取出一个节点，回收空闲块时将节点插入链表头部。空闲块表法将空闲块分组，每组的第一块登记了下一组空闲块的物理地址。分配空闲块时从第一组开始查找，回收空闲块时将其归入所属组，并修改相应登记项。空闲块成组链接法空闲空间管理方法162024/3/26连续分配策略为每个文件分配一组连续的物理块。适用于顺序访问的文件，但容易产生外部碎片，且文件动态增长时不易处理。链接分配策略将文件分散到多个不连续的物理块中，通过指针链接。消除了外部碎片，但访问效率较低，且指针本身占用存储空间。索引分配策略系统为每个文件分配一个索引表，索引表中的每个表项指向一个物理块。支持文件动态增长和高效随机访问，但需要额外的索引表存储空间。存储空间分配策略172024/3/26数据压缩技术利用数据冗余性进行压缩，减少存储空间占用。适用于文本、图像、音频等文件类型。自动精简配置技术根据实际需求动态分配存储空间，避免浪费。适用于虚拟机、容器等场景。数据去重技术在数据传输或存储前进行去重处理，减少冗余数据的传输和存储。适用于网络传输、云存储等场景。重复数据删除技术通过识别并删除重复数据来减少存储空间占用。适用于备份、归档等场景。外存空间利用优化技术182024/3/26文件共享与保护机制05192024/3/26利用符号链实现文件共享通过创建一个包含共享文件路径的符号链（symboliclink），使得多个用户可以通过该符号链访问共享文件。基于分布式文件系统的共享方式在分布式文件系统中，文件被存储在多个节点上，用户可以通过网络访问这些节点上的文件，实现文件共享。基于索引结点的共享方式利用索引结点（i-node）实现文件共享，多个用户可以通过不同的文件名或路径访问同一索引结点，从而实现文件共享。文件共享方式及实现方法202024/3/26文件访问权限设置与检查在操作系统中，可以为每个文件和目录设置访问权限，包括读权限、写权限和执行权限。这些权限可以针对不同的用户或用户组进行设置。访问权限检查当用户尝试访问某个文件时，操作系统会检查该用户是否具有相应的访问权限。如果用户没有相应的权限，则会被拒绝访问。特殊权限处理除了基本的读、写和执行权限外，还有一些特殊的权限，如设置粘滞位（stickybit）或设置setuid/setgid位等，这些权限可以影响文件的访问和执行方式。访问权限设置212024/3/26事务处理日志记录备份与恢复并发控制数据一致性保障措施对文件的修改操作进行日志记录，以便在发生故障时可以恢复到一致的状态。定期对重要文件进行备份，并在必要时进行恢复，以确保数据的完整性和一致性。采用适当的并发控制机制，如锁机制或时间戳等，以避免多个用户对同一文件进行同时修改而导致数据不一致的情况。通过引入事务机制，确保对文件的修改要么全部完成，要么全部不完成，从而保持数据的一致性。222024/3/26文件系统性能优化技术06232024/3/26缓冲区的类型根据使用方式不同，缓冲区可分为单缓冲、双缓冲、循环缓冲和缓冲池等类型。缓冲区的管理策略包括缓冲区的分配、回收、置换等策略，以及缓冲区与磁盘、CPU之间的同步和互斥等问题。缓冲区的引入在内存中划分出一块区域作为缓冲区，用于暂存从磁盘读入的数据或写入磁盘的数据。缓冲区管理技术242024/3/26先来先服务（FCFS）算法按照请求到达的顺序进行服务，简单公平但效率不高。优先选择距离当前磁头位置最近的请求进行服务，能够减少磁头移动距离，提高效率。磁头按照一个方向移动，服务途中遇到的请求，直到到达该方向尽头后返回，途中继续服务请求。在SCAN算法基础上改进，磁头到达尽头后不再返回，而是继续向另一方向移动，直到所有请求都被服务。最短寻道时间优先（SSTF）算法扫描（SCAN）算法循环扫描（CSCAN）算法磁盘调度算法改进252024/3/26直接内存访问（DMA）技术可以让I/O设备与内存直接交换数据，减少CPU的干预，提高数据传输效率。DMA技术在内存中设置高速缓存区用于存放频繁访问的数据，可以减少对磁盘的访问次数，提高I/O性能。高速缓存技术采用中断处理方式可以让CPU在I/O操作期间执行其他任务，实现并发操作，提高系统整体效率。中断处理引入I/O通道可以进一步减少CPU的干预，实现I/O操作的并行处理，提高I/O性能。I/O通道技术I/O性能提升策略262024/3/26现代操作系统中新型文件系统介绍07272024/3/26VS网络文件系统（NFS）是一种分布式文件系统协议，允许计算机客户端远程访问服务器上的文件。NFS基于客户端-服务器架构，客户端通过挂载远程服务器上的文件系统，可以像访问本地文件一样访问远程文件。应用场景NFS广泛应用于企业内部网络，实现文件共享和协作。例如，多个部门或团队可以共享同一份文档或数据，提高团队协作效率。同时，NFS也支持跨平台文件访问，使得不同操作系统之间的文件共享成为可能。原理网络文件系统（NFS）原理及应用场景282024/3/26分布式文件系统（DFS）原理及应用场景分布式文件系统（DFS）是一种允许多台计算机通过网络共享文件和存储资源的文件系统。DFS采用分布式架构，将数据分散存储在多个节点上，提供统一的命名空间和文件访问接口。原理DFS适用于大规模数据存储和高并发访问场景。例如，云计算平台、大数据处理和分析系统、在线视频服务等。通过DFS，可以实现数据的分布式存储、负载均衡、容错和可扩展性等功能。应用场景292024/3/26对象存储是