大学操作系统原理《文件管理》复习课件

操作系统原理操作系统原理·文件管理复习课件逻辑结构·物理结构·目录管理·共享保护年份2026年复习导览01文件管理总览基本概念与系统调用框架02逻辑结构剖析流式文件与记录式文件03物理结构剖析连续、链接、索引三种分配04目录与空间管理目录结构与空闲块管理05共享保护与考点链接机制与高频速记PART01文件管理总览文件是用户与外存交互的基本单位从概念到系统调用，搭建复习地基文件是什么：定义与属性文件是用户与外存交互的基本单位系统资源调度以

进程

为基本单位，用户输入输出以

文件

为基本单位文件是有意义信息的集合，是用户与外存交互的基本单位文件定义与属性由创建者定义、具有文件名的一组相关元素的集合，是"有意义信息的集合"文件名标识符类型大小位置保护信息创建与修改时间数据组成三级文件：最高级记录一组相关数据项的集合，描述对象某方面属性数据项文件系统中最低级的数据组织形式文件系统的三层模型文件系统模型自上而下分为三层三层模型结构最高层文件系统接口面向用户提供调用入口中间层对对象操纵和管理的软件集合文件系统的核心部分文件存储空间管理文件目录管理逻辑地址到物理地址的变换机制文件读写管理文件的共享与保护最底层对象及其属性管理对象有三类：文件、目录、磁盘存储空间文件分类与基本操作按用途3类系统文件用户文件库文件按数据形式3类源文件目标文件可执行文件按存取控制属性3类只读文件读写文件可执行文件按组织形式3类普通文件目录文件特殊文件open与read的本质区别很多人把open和read混在一起，这是高频易错点引入打开文件表的目的是减少目录查询次数，提升I/O效率open打开的是文件控制信息，read才读取文件内容open操作做了什么5步01根据路径名查目录02找到对应的FCB或inode03把文件控制信息调入内存04建立打开文件表项05返回文件描述符或文件句柄read操作做了什么2步01依据文件描述符定位已打开的文件02真正从磁盘读取文件内容PART02逻辑结构剖析用户看到的是记录，系统存的是字节流无结构文件与有结构文件的组织逻辑逻辑结构总览：两类文件逻辑结构是用户概念中的文件组织方式，独立于物理结构逻辑结构是用户概念中的文件组织方式，独立于物理结构无结构文件（流式文件）数据被看作一串连续的字符或字节，没有明显的记录划分典型示例：.c源程序文件、.txt文本文件、二进制文件源程序文件通常被视为一组无结构的字符流有结构文件（记录式文件）由一条条记录组成，每条记录含若干字段典型示例：学生信息表、工资表、数据库文件记录又分为定长与不定长、有序与无序两类顺序文件：连续存放的取舍记录在存储介质上顺序存放，逻辑顺序与物理顺序一致取存取特性定长支持按关键字快速定位，可实现随机存取变长只能从头逐个顺序查找优缺点与适用场景优点访问速度快，适合大量顺序访问缺点插入与删除困难，可能需要移动大量数据适用场景数据量大、读写频繁、不常修改，如日志文件、历史数据记录索引文件与索引顺序文件索引以额外空间换取随机存取与快速增删能力索索引文件对应为文件建立索引表，索引项与记录一一对应排序索引项按某关键字域排序，支持随机访问与快速查找代价便于增删改，但索引表需额外存储空间序索引顺序文件分组记录分组后建索引，是顺序文件的扩展兼顾兼顾顺序存储的连续性与索引的快速查找适用适合大型文件的组织其他逻辑结构散列文件散列函数映射键值到物理位置访问速度快链式文件记录用指针串联便于动态分配，遍历较慢累积文件记录用分隔符划分新记录总添加到文件末尾PART03物理结构剖析三种分配方式，各有取舍连续、链接、索引分配的原理与计算连续分配：最快也最挑空间为文件分配一组相邻的磁盘块，逻辑顺序与物理顺序一致连续分配访问速度最快，但外部碎片与长度预知是致命短板原理与优点分配与寻址为文件分配一组连续磁盘块，目录项记录起始块号与总块数块号换算物理块号=起始块号+逻辑块号−1访问效率顺序访问与直接访问效率极高，磁头移动少实现与适用实现简单，适合磁带等顺序存储设备缺点外部碎片产生外部碎片，空间利用率低长度预知必须事先知道文件长度，动态增长受限维护代价删除或插入记录可能需移动大量数据链接分配：离散存放的两种形态离散存放消除外部碎片，但隐式链接牺牲了随机访问能力隐式链接目录目录项只记录文件首块与尾块指针指针每个盘块末尾存放指向下一块的指针，对用户透明优点无外部碎片，支持文件动态增长缺点仅支持顺序访问，访问第N块需从头遍历指针缺点指针占用空间，任一指针损坏会导致文件链表断裂显式链接（FAT文件系统）全局分配表系统建立一张全局的文件分配表

FAT，常驻内存表项结构每个表项记录下一块指针，正数表示下一块，特殊值表示文件尾与空闲块目录项目录项仅需记录文件起始块号优点支持直接访问，地址转换无需访问磁盘，效率高于隐式链接缺点FAT需占用一定的内存空间，盘容量大时表会很大索引分配：单级、多级与混合索引块解决随机访问，多级索引突破大文件容量限制单单级索引结构为每个文件分配一个索引块，记录所有数据块号；目录项仅需填写指向索引块的指针优点无外部碎片，支持随机访问缺点小文件的索引块利用率低多多级索引结构当索引块太多时，为索引块再建立一级索引；主索引块指向二级索引块，二级索引块指向数据块优点支持特大文件存储缺点访问数据块需多次查索引，磁盘I/O次数增加混混合索引结构将直接地址、一级间接地址、多级间接地址相结合效率兼顾小文件、中文件、大文件的效率三种分配方式对比速记三种分配方式各有取舍，对比记忆是考点关键分配方式原理优点缺点连续分配分配连续磁盘块，记录起始块号与长度顺序与直接访问快外部碎片，需预知长度隐式链接块内指针串联，记首尾指针无碎片，利于拓展只支持顺序访问显式链接全局FAT表记录链接关系支持随机访问，拓展方便FAT占用内存索引分配建索引块记录各数据块号支持随机访问与拓展索引块占用空间易错点：磁带只能组织顺序结构，磁盘上三种结构都可使用顺序与链接结构都只适合顺序存取，索引结构随机访问效率最高PART04目录与空间管理按名存取，从目录开始目录结构演进与四种空闲块管理法FCB：目录的基本单位一个文件对应一个FCB，一个FCB就是一个目录项目录实现的核心目标是

按名存取FCB记录什么文件名或文件标识文件属主与用户名文件访问权限或口令文件创建、修改、访问时间文件长度文件在磁盘上的存储位置目录的本质多个目录项构成目录文件目录实现的核心目标是按名存取易混辨析FCB

描述某个文件，文件分配表FAT

描述磁盘空间怎么分配，二者不可混淆单级与二级目录结构二级目录解决重名与检索速度，但共享仍受限二级目录解决重名与检索速度，但共享仍受限单级目录结构全部文件登记在同一张目录表中，系统仅一张大表实现基本的按名存取缺点：查找速度慢、不能重名、不利于共享，已被淘汰二级目录结构两级划分：主目录

MFD

与用户目录

UFD主目录：记录用户名与用户目录物理地址用户目录：记录该用户所有文件的

FCB查找流程：主目录定位用户名→用户目录定位文件名优点：提高检索速度，解决重名问题遗留问题：用户间天然隔离，仍不利于文件共享树形目录与无环图目录“树形目录清晰但不利共享，无环图以共享边破解该问题”树形目录清晰但不利共享，无环图以共享边破解该问题树形目录结构现代操作系统普遍采用，又称多级目录结构第一级为根目录，非叶子节点是目录文件，叶子节点是文件绝对路径从根目录出发，相对路径从当前目录出发优点：层次清晰，便于分类，便于设置不同层级的存取权限无环图目录结构是树形目录结构的自然推广允许一个文件或目录在多个父目录中占有项目，但不构成环路便于文件共享，可被多个文件目录指向删除规则：为共享文件设置计数器，计数器为零时才真正删除一句话记忆：一看到"链接"，就要想到无环图结构空闲表法与空闲链表法空闲表法适合连续分配，空闲链表法省空间但查找慢空闲表法适合连续分配，空闲链表法省空间但查找慢空闲表法采用连续分配策略，为每个文件分配一段连续磁盘空间系统维护一张空闲表，记录空闲区起始盘块号与空闲盘块数分配时用首次适应或循环首次适应算法检索回收时需判断是否与相邻空闲区合并，以减少碎片缺点：易产生外部碎片，适用于小规模文件系统空闲链表法将所有空闲盘块或盘区链接成链，分为空闲盘块链与空闲盘区链空闲盘块链：以单个盘块为单位成链，分配从链首摘取，回收挂入链尾空闲盘区链：以含多个盘块的盘区为单位成链，节点记录盘区大小与下一盘区指针优点：指针存在空闲块本身，无额外空间开销缺点：查找需遍历链表，效率较低，链较长位示图法：最常考的分配法位示图是最常考的空闲空间管理方法一位映射一块，掌握盘块号与字号、位号的转换原理2项二进制位表示使用状态通常

0

表示空闲，1

表示已分配（部分系统定义相反）二维数组结构所有盘块的位构成二维数组，总位数等于磁盘总盘块数优缺点2项优点判断某块是否空闲只需看对应位，操作快，易于查找连续空闲块缺点外存很大时位示图本身占用不少内存分配：查找值为

0

的位，置为

1回收：将对应位置为

0核心考点：掌握盘块号与字号、位号之间的转换公式成组链接法：UNIX的选择分组管理兼顾空间开销与分配效率，破解大文件系统难题结构4项空闲盘块划分为若干组，每组通常含100个盘块系统设空闲盘块号栈，记录当前可用组的块号及数量每组块数与块号存入前一组首块，形成反向链表最末组以特定标志作为空闲链结束标志分配2项先分配超级块指向的那一组盘块该组分配完，将下一组信息复制到超级块中继续分配回收2项当前组未满，新回收块加入当前组当前组已满，新回收块作为新的第一组，指向原第一组PART05共享保护与考点硬链接与软链接，一字之差共享保护机制与考点速记清单文件共享：硬链接与软链接硬链接与软链接，一字之差，考点密集硬链接（基于索引结点）基于索引结点多个目录项指向同一索引结点共享数据不复制，用计数管理删除建立硬链接，原文件的链接计数增加一计数不为零就不能删除文件，计数为零才真正删除软链接（符号链接）符号链接文件内容只包含另一个文件的路径名建立软链接，原来的链接计数不变源文件删除或移动位置后，软链接依然存在但会失效适合跨文件系统共享文件保护的三道防线口令保护用户为文件设置访问口令，访问时核对优点：实现简单，开销小缺点：口令存在系统内部，安全性较低最简单加密保护对文件内容进行加密，访问需解密优点：安全性高，即使文件被窃取也难以读取缺点：加解密过程需要耗费时间最安全访问控制通过访问控制表ACL记录用户或组的访问权限权限通常包括读、写、执行、删除等优点：控制精细，可对不同用户设置不同权限缺点：权限表需要维护，管理成本较高最灵活高频考点速记清单考前一遍，把这些辨析点刻进记忆概念辨析文件用户与外存交互的基本单位进程资源调度的基本单位open打开控制信息read才读内容目录结构FCB一个文件对应一个FCB，一个FCB就是一个目录项演进单级不能重名、二级可