10 课件资料李红卫-操作系统001OS-ch7

1、,江苏理工学院,授课教师: 李红卫,操作系统,目录,操作系统,操作系统,第7章 文件管理,内容提要,本章主要介绍文件与文件系统的基本概念，文件系统的结构，文件的组织结构及存取方法，文件存储空间的管理，磁盘空闲空间的管理，文件目录的概念与管理，文件的安全与保护，文件系统的性能优化。,1掌握文件与文件系统的概念。 2掌握文件的逻辑结构与物理结构。 3掌握文件存储空间的管理策略。 4掌握磁盘空闲空间的管理方法。 5掌握文件目录的概念及目录管理策略。 6了解文件共享与保护的概念与方法。,教学目标,数据是计算机系统中的重要资源，在早期计算机系统中，人们直接用物理地址存放数据。存放数据时，要求用户指出并记

2、住数据存放在哪个设备的哪些磁道、哪些扇区上。 在多用户的环境中这几乎是不可能的。 实际上对用户来说，关心的不是数据的具体存放位置，而是存取方法的方便、可靠。不是数据的物理结构而是数据的逻辑结构。 因此，引入文件和文件系统的概念，文件系统是操作系统的重要组成部分，它负责数据的组织、存储和访问。文件系统的功能就是提供高效、快速和方便的数据存储和访问功能。本章的主要内容就是数据的组织。,7.1 文件管理概述,7.1.1 文件的概念,文件是指存储在外部存储介质上具有符号名和一定逻辑意义的一组相关数据序列的集合。从用户的角度来看，一个文件应具有唯一的名称、属于特定的类型、有确定的长度、有在辅存中的物理位

3、置、有一定的存取权限、有明确的建立及修改日期等属性。 1文件命名 文件保存在外部存储介质上，为了方便用户使用，每个文件都有一个名称，即文件名。 不同的文件系统对文件的命名方式不尽相同，文件名的长度因系统而异。,2文件属性 文件包括两个部分内容：一是文件内容，二是文件属性。 常用的文件属性： 文件名称 文件内部标识 文件物理位置 文件拥有者 文件权限 文件类型 文件长度 文件时间,7.1.1 文件的概念,3文件类型 (1) 按用途分 系统文件 库文件 用户文件 (2) 按性质分 普通文件 目录文件 特殊文件 (3) 按存取权限分 只读文件。允许授权用户读，但不能写。 读写文件。允许授权用户读写。

4、 可执行文件。允许授权用户执行，但不能读写。 不保护文件。用户具有一切权限。,7.1.1 文件的概念,(4) 按文件数据的形式分 源文件 目标文件 可执行文件 (5) 按数据保存期限分 临时文件 档案文件 永久文件,7.1.1 文件的概念,7.1.2 文件系统,1文件系统的概念 文件系统是操作系统中对文件实施管理、控制与操作的一组软件。 文件系统是操作系统中管理文件的机构，提供文件存储和访问功能。 文件系统应具备以下功能： (1) 文件管理 (2) 目录管理 (3) 文件存储空间的管理 (4) 文件的共享和保护 (5) 提供方便的接口,7.1.2 文件系统,2.文件系统的层次模型 不同的文件系

5、统往往具有不同的结构，传统的文件系统一般采用层次模型，该模型由许多不同的层组成。每一层都会使用下一层的功能特性来创建新的功能，为上一层服务。每一层都在下层的基础上，向上层提供更多的功能，由下至上逐层扩展，从而形成一个功能完备，层次清晰的文件系统。,7.1.2 文件系统,随着操作系统的不断发展，越来越多的功能强大的文件系统不断涌现。这里，列出一些具有代表性的文件系统： ext2/ext3/ext4 NFS HPFS FAT NTFS CD-ROM,研究文件结构有两种观点： 用户的观点（文件的逻辑结构）：主要研究用户思维中的抽象文件，为用户提供一种逻辑结构清晰、使用简便的逻辑文件。用户将按这种形式

6、去存取、检索和加工文件。例如用户可将文件看作字节的集合。或者用户将文件看作记录的集合。 实现的观点（文件的物理结构）：主要研究驻留在存储介质上的文件的结构。 文件的物理结构：文件的各个字节在存储介质上是如何摆放的。,7.2 文件的结构与存取方法,7.2.1 文件的逻辑结构,1 文件的逻辑结构 流式文件：基本数据单位是字节或字，其长度是所含字节的数量。 这种文件的优点是节省存储空间。 在这种文件中无需额外的说明和控制信息。 记录式文件：记录式文件是一种结构文件。由若干个记录组成，文件中的记录可按顺序编号为记录1，记录2，记录n。 如果文件中所有记录的长度相等,则称为定长记录文件,文件的长度为记录

7、个数与记录长度的积。 若文件中的记录长度不相等,则称为变长记录文件。文件长度为所有记录长度之和。,7.2.2 文件的物理结构,文件的物理结构是指文件在外部存储介质上的存放形式，也叫文件的存储结构 1. 连续结构 2. 链接结构 3. 索引结构,7.2.2 文件的物理结构,4组合分配 组合空间 分配是多种分 配策略的组合， 这种方案最初 为UNIX系统采 用。如右图所 示。,7.2.3 文件的存取方法,文件的存取方法是指读写存储在辅助存储器上的文件物理块的方法。常用的存取方法有顺序存取法和直接存取法两种。 1. 顺序存取 顺序存取法是按照文件的逻辑地址顺序存取。 2. 直接存取 直接存取法允许用

8、户随机地根据记录编号存取文件中的任意一条记录，或者根据存取命令将读写指针移动到需要进行存取的位置，而不需考虑上一次的读写情况。,3. 其它存取方法 在复杂的文件系统中，特别是数据库管理系统中，文件的组织方式有很多，相应的存取方法也很多，如根据文件内容而不是记录编号的按键存取等。 4. 存取方法与存储设备的关系 文件的存取方法密切地依赖于文件的物理结构和文件存储设备的特性。目前，常用的文件存储设备有磁带、磁盘、光盘和电子盘（俗称U盘）。,7.2.3 文件的存取方法,1.空闲表法 空闲表法属于连续分配方式，它与内存的动态分配方式相似，为每个文件分配一块连续的存储空间。 空闲盘区的分配与内存的动态分

9、配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等。,7.3 辅存空间管理,7.3 空闲空间管理,2. 空闲链表法 空闲链表法是将所有空闲盘区拉成一条空闲链表。根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式： 空闲盘块链 空闲盘区链。,3. 位示图法 位示图是反映整个存储空间分配情况的数据结构。 图 6-11显示了一个磁盘的位图，其中第0、1、4、5、7、8、9、11、12、13、14、15、40、41、42等块为已分配块，其它的块为空闲块。,7.3 辅存空间管理,4. 成组链接法 空闲表法和空闲链表法都不适用于大型文件系统，因为这会使空闲表或空闲链表太长。在UNIX/Linux系统中通常

10、采用成组链接法，该方法将 上述两种方法相 结合而形成的一 种空闲盘块管理 方法，它兼备了 上述两种方法的 优点而克服了它 们表太长的缺点。,7.3 辅存空间管理,7.4 文件目录管理,7.4.1文件目录概念 文件控制块（FCB）：文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息 文件控制块是文件存在的标志 FCB就是目录表中的一个目录项 文件控制块的内容：文件名，文件号，用户名，文件地址，文件长度，文件类型，文件属性，共享计数，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后访问日期，口令，文件逻辑结构，文件物理结构等。,7.4.1文件目录概念,文件目录：把所有的

11、FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合 目录项：构成文件目录的项目（目录项就是FCB） 目录文件：为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫目录文件,1. 单级目录,单级目录最为简单，如图6-13所示 这种单级目录的主要优点是实现简单，但是存在明显的缺点： 不允许文件重名。 文件查找速度慢。,7.4.2 文件目录结构,2. 二级目录 二级目录可以解决文件重名，即把系统中的目录分为一个主文件目录表（Master File Directory，MFD）和多用户目录表（User File Directory，UFD），如图6-14所示。,7.4.

12、2 文件目录结构,7.4.2 文件目录结构,优点：二级目录结构较为简单，也比较好地解决了重名的问题。 缺点：缺乏灵活性，特别是不能反映现实世界中多层次的关系。 为此人们提出了多级目录结构，其中MULTICS以及UNIX系统均采用了多级目录结构，它们是当前文件系统的典型而完美的代表。,7.4.2 文件目录结构,3. 多级层次目录 多级层次目录，也叫树结构目录，它是二级目录的推广，如图6-15所示。,7.4.2 文件目录结构,多级目录具有以下优点： (1) 既可方便用户查找文件，又可以把不同类型和不同用途的文件分类。 (2) 允许文件重名。不但不同用户可以使用相同名称的文件，同一用户也可使用相同名

13、称的文件。 (3) 利用多级层次结构关系，可以更方便地制定保护文件的存取权限，有利于文件的保护。 多级层次目录的缺点主要是不能直接支持文件或目录的共享。,4. 无环结构目录 无环结构目录是多级目录的推广。多级层次目录不直接支持文件或目录的共享。为了使文件或目录可以被不同的目录所共享，可以把多级目录的层次关系加以推广，形成无环结构目录。,7.4.2 文件目录结构,7.4.2 文件目录结构,7.4.2 文件目录结构,5. 图状结构目录 图状结构目录是在无环结构目录的基础上形成的一种目录，如图6-17所示。无环结构目录存在的一个问题是要保证目录结构中没有环。如果有环，就会形成图状结构。,7.4.2

14、文件目录结构,文件目录的操作主要有以下几种： 创建目录 删除目录 检索目录 打开目录 关闭目录,7.4.3 文件目录操作,7.5 文件保护,1文件的安全威胁 2文件系统保护机制的功能 3文件保护的实现 口令、加密、存取控制,7.5 文件的保护,对文件的访问系统首先要检查访问权限，只允许合法的用户访问。文件的存取权限一般有以下几种: 仅允许执行 (X)。 仅允许读 (R)。 仅允许写 (W) 仅允许在文件尾写 (A) 仅允许对文件进行修改（U） 允许改变文件的存取枚限（C） 允许取消文件（D） 这几种权限可进行适当的组合。,用访问控制矩阵实现文件保护,一维代表所有用户，一维代表系统中的所有文件。

15、 优点：一目了然. 缺点：矩阵往往过大。,7.5 文件的保护,存取控制表实现文件保护,7.5 文件的保护,用户权限表实现文件保护,7.5 文件的保护,用口令实现文件保护,用户为自己的每个文件规定一个口令，有口令者才能访问文件。 优点：简便 缺点： 保护级别少（可访问和不可访问） 保密性差。 不易改变存取控制权限。,7.5 文件的保护,文件系统与用户间的接口即文件的操作。为了正确地实现文件的存取和检索，用户必须按照系统规定的操作提出对文件的使用要求，文件系统提供一组文件的操作给用户使用，主要有以下几种: 1.建立文件 2.打开文件 3.写文件 4.读文件 5.关闭文件 6.删除文件,7.6 文件

16、的使用,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,5.25英寸软盘,5.25英寸软盘磁盘片,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,3.5英寸软盘,8英寸、5.25英寸 和3.5英寸软盘,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,引导区存放引导程序，以及有关该卷的信息(如扇区数、扇区大小、FAT的大小、簇的大小等)； FAT1和FAT2是两个内容完全相同的文件分配表，其中一个是另一个的副本，以便必要时恢复； 根目录区用于存放该卷根目录下各个文件或目录文件的目录项内容； 数据存储区是具体存放文件以及子目录内容的区域。,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,在进行盘块分配时，不是以盘块而是以“簇”为基本单位

17、。所谓“簇”，就是一组连续的扇区集合。簇的大小一般为2n个盘块。例如，一簇含1个扇区就是512B，含4个扇区就是2KB。 一个磁盘上有多少簇，文件分配表FAT就有多少个表项。在FAT文件系统的文件分配表的表项中，记录着一个文件使用了数据存储区里的哪些簇，形成该文件的分配链。,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,以1.44MB的3.5英寸软盘为例，介绍磁盘的结构，以便更好地理解磁盘空间的管理。 磁盘经过格式化后被划分成磁面、磁道和扇区。每个磁面上含有相同的磁道数，每个磁道上亦有相同数目的扇区数，每个扇区可存放512个字节的数据。对于1.44MB的软盘来说，有标签的一面称为1面，无标签的一面称为

18、0面；每面有80个磁道，磁道从0开始编号，最外圈是0道，最内圈是79道；每个磁道有18个扇区，扇区从1开始编号，紧靠索引孔的扇区是1扇区。根据软盘的面数、每面道数以及每道扇区数可计算出软盘的容量，1.44MB的软盘的容量为：2面80道18扇区512B=1474560B=1.44MB。,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,我们可以用“磁面、磁道、扇区”3个参数来表示磁盘上某一个区域，用这种方法表示的磁盘扇区称为物理扇区。 为了文件操作上的方便，操作系统并不是直接使用物理扇区读写磁盘，而是用一个数值来表示要读写的扇区，在实施具体读写操作时，将该数值转换为物理扇区进行操作，我们把这个数值称为逻辑扇

19、区编号。以1.44MB的软盘为例，逻辑扇区编号如下： 0磁面、0磁道、1扇区 编号为逻辑0扇区，即引导扇区； 0磁面、0磁道、（218）扇区 编号为逻辑（117）扇区； 1磁面、0磁道、（118）扇区 编号为逻辑（1835）扇区； 0磁面、1磁道、（118）扇区 编号为逻辑（3653）扇区； ,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,逻辑0扇区： 引导扇区，512B 逻辑1 - 9 扇区： FAT1； 逻辑10 - 18 扇区：FAT2； 逻辑19 - 32 扇区：文件目录表(根目录) ，224个根目录项。 逻辑33-2879 扇区：数据区。 注：每个FAT表项为12位，每个簇为一个扇区,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,表 FAT12表表项含义,7.7 文件系统实例-FAT文件系统,7.7 文件系统