计算机操作系统 第四版 汤小丹 课件 第7章

1、第七章文件管理，7.1文件和文件系统7.2文件的逻辑结构7.3文件目录7.4文件共享7.5文件保护练习，7.1文件和文件系统文件系统的管理功能是通过将其管理的程序和数据组织成一系列文件来实现的。文件是具有文件名的相关元素的集合。元素通常是一条记录，而记录是一组有意义的数据项。因此，基于文件系统的概念，数据组合可以分为三个层次：数据项、记录和文件。7.1.1数据项、记录和文件1。数据项在文件系统中，数据项是最低的数据组织形式，可分为以下两类：(1)基本数据项。(2)合并数据项。记录在某些方面，记录是用来描述对象属性的一组相关数据项。记录应该包含哪些数据项取决于需要描述对象的哪个方面。因为物体处于

2、不同的环境中，所以它可以被视为不同的物体。文件文件是指由创建者定义文件名的一组相关元素，可分为结构化文件和非结构化文件。图7-1文件、记录和数据项之间的层次关系7.1.2文件名和类型1。文件名和扩展名(1)文件名。(2)延伸。按用途分类的文件按其性质和用途可分为三类：(1)系统文件，指由系统软件组成的文件。大多数系统文件只允许用户调用，但不允许用户读取或修改。有些系统文件不直接对用户开放。(2)用户文件是指由用户源代码、目标文件、可执行文件或数据组成的文件。用户将这些文件委托给系统保管。(3)库文件，它是由标准子程序和普通子程序组成的文件。这样的文件允许用户调用，但不能修改。根据文件中数据的分

3、类，文件也可以分为三类：(1)源文件，即由源程序和数据组成的文件。通常，由源程序形成的文件和由终端或输入设备输入的数据属于源文件。它通常由ASCII码或汉字组成。(2)目标文件，指由已被编译器编译但未被链接器链接的目标代码组成的文件。目标文件使用的后缀是”。obj。(3)可执行文件，指通过链接程序链接编译后生成的目标代码而形成的文件。它的后缀是。exe。按访问控制属性分类根据系统管理员或用户指定的访问控制属性，文件可分为三类：(1)只执行文件，只允许被批准的用户调用和执行，不允许读写。(2)只读文件，只能由文件所有者和批准的用户读取，不能写入。(3)读写文件，指文件所有者和批准用户允许读写的文

4、件。4)按组织形式和处理方法分类根据文件的不同组织形式和处理方法，文件可分为三类：(1)普通文件。(2)目录文件。(3)特殊文件。文件系统的层次结构如图7-2所示。文件系统的模型可以分为三个层次：底层是对象及其属性，中间层是用于操作和管理对象的软件集合，顶层是文件系统向用户提供的接口。图7-2文件系统模型1。对象及其属性文件管理系统管理的对象如下：(1)文件。(2)内容。(3)磁盘(磁带)存储空间。用于对象操作和管理的软件集这一层是文件管理系统的核心部分。文件系统的大部分功能都是在这个层次上实现的，包括：文件存储空间的管理；文件目录管理；将文件的逻辑地址转换成物理地址的机制；文件读写管理；共享

5、和保护文件等。在实现这些功能时，操作系统通常采用层次化的组织结构，即每一层都包含一定的功能，一定级别的软件只能调用同一级别或更低级别的功能模块。文件系统接口为了方便用户，文件系统以接口的形式提供了一套操作文件和记录的方法和手段。通常有两种类型的接口：(1)命令接口，即用户可以直接与文件系统交互的接口，用户可以通过键盘终端输入命令来获得文件系统服务。(2)程序接口是指用户程序和文件系统之间的接口。用户程序可以通过系统调用获得文件系统服务，如创建文件的创建和打开文件的打开。7.1.4文件操作1。最基本的文件操作最基本的文件操作包括以下内容：(1)创建文件。(2)删除文件。(3)阅读文件。(4)书写

6、文件。(5)设置文件的读/写位置。文件的打开和关闭操作当用户需要对文件执行多个读/写操作或其他操作时，每次都必须从检索目录开始。为了避免重复搜索目录，大多数操作系统都引入了文件系统调用“open”。当用户第一次请求操作文件时，必须使用open system调用打开该文件。其他文件操作系统为用户提供一系列文件操作的系统调用，其中最常用的是文件属性操作，允许用户直接设置和获取文件属性，如更改文件名、所有者、访问权限和查询文件状态(包括文件类型、大小、所有者和访问权限等)。)。另一个是关于目录操作，如创建目录、删除目录、更改当前目录和工作目录等。此外，还有文件共享的系统调用和操作文件系统的系统调用。

7、7.2文件的逻辑结构(1)文件的逻辑结构。(2)文件的物理结构也称为文件的存储结构。文件逻辑结构类型对文件逻辑结构的基本要求首先是有助于提高文件的检索速度，即当大量记录被制成文件时，应采用有利于提高检索记录的速度和效率的逻辑结构形式。其次，结构应该便于修改文件，即使在文件中添加、删除和修改了一个或多个记录。第三是降低存储在外部存储器中的文件的存储成本，即，最大限度地减少文件占用的存储空间，而不需要大的连续存储空间。1。根据文件是否有结构进行分类1)有结构文件1)固定长度的记录。(2)可变长度记录。非结构化文件如果在大量的信息管理系统和数据库系统中广泛使用结构化文件(即文件由固定长度或可变长度的

8、记录组成)，那么系统中运行的大量源程序、可执行文件和库函数都采用非结构化文件，即流文件。其文件长度以字节为单位。要访问流文件，读写指针用于指出下一个要访问的字符。流文件可以被视为记录文件的一种特殊情况：一个记录只有一个字节。按文件组织分类根据文件的组织，结构化文件可分为三类：(1)顺序文件。(2)索引文件。(3)索引序列文件。7.2.2顺序文件)1。顺序文件的排列顺序文件中的记录可以按不同的顺序排列。一般来说，它可以分为两种情况：(1)字符串结构。(2)序列结构。顺序文件的优点和缺点顺序文件的最佳应用是成批访问记录(即一次读取或写入大量记录)。在所有逻辑文件中，顺序文件的访问效率最高。此外，对

9、于顺序存储设备(如磁带)，只有顺序文件才能有效存储和工作。7.2.3记录寻址1。隐式寻址模式对于具有固定长度记录的顺序文件，如果当前记录的逻辑地址已知，则很容易确定下一个记录的逻辑地址。图7-3固定长度和可变长度记录文件2。显式寻址模式该模式可用于实现对固定长度记录文件的直接或随机访问。因为任何记录的位置都可以很容易地通过记录长度来计算。然而，对于具有可变长度记录的文件，直接或随机访问不能通过显式寻址来实现，必须添加适当的支持机构来实现。接下来，我们通过两种方式实现对固定长度记录的随机访问：(1)通过文件中记录的位置。(2)使用关键词。7.2.4索引文件)1。通过简单的计算，可以很容易地随机搜

10、索具有以关键字索引的固定长度记录的文件。但是，从第一条记录到目标记录需要很长时间才能找到一条记录。图7-4带有单个和多个索引表的索引文件2。具有多个索引表的索引文件由关键字索引。与顺序文件一样，带有索引表的索引文件只能通过该关键字检索。实际上，不同的用户希望根据不同的属性(或不同的关键字)检索记录，以达到不同的目的。为了满足这一要求，有必要为顺序文件建立多个索引表，即为每个可能成为检索条件的域(属性或关键字)配置一个索引表。在每个索引表中，它是按相应的属性或关键字排序的。7.2.5索引顺序文件)1。索引顺序文件的特征索引顺序文件是对顺序文件的改进，它基本上克服了可变长度记录的顺序文件不能随机访

11、问、删除和插入记录不方便的缺点。但是，它仍然保留了顺序文件的关键特征，即记录是按照关键字的顺序组织的。它增加了两个新的特点：一是引入了文件索引表，通过它可以实现对索引顺序文件的随机访问；另一种是添加溢出文件来记录新添加、删除和修改的记录。一级索引序列文件最简单的索引序列文件只使用一级索引。具体的建立方法是将变长记录序列文件中的所有记录分成若干组，如一组50条记录。然后，为顺序文件建立一个索引表，并在索引表中为每个组中的第一个记录建立一个索引条目，其中包含记录的关键字和指向该记录的指针。索引顺序文件是最常见的逻辑文件形式，如图7-5所示。图7-5索引顺序文件3。两级索引顺序文件对于非常大的文件，

12、仍有许多记录需要查找。例如，对于包含106条记录的顺序文件，当将其用作索引顺序文件时，平均需要找到1000条记录。为了进一步提高检索效率，可以为顺序文档建立多级索引，即可以为索引文档建立索引表，从而形成两级索引表。7.2.6直接文件和哈希文件1。当使用上述文件结构访问记录时，有必要首先使用给定的记录键值来搜索线性表或链表，以找到指定记录的物理地址。但是，对于直接文件，可以根据给定的关键字直接获得指定记录的物理地址。换句话说，关键字本身决定了记录的物理地址。哈希文件这是目前使用最广泛的直接文件。它使用哈希函数(或哈希函数)将关键字转换为相应记录的地址。然而，为了实现文件存储空间的动态分配，哈希函

13、数通常获得的不是相应记录的地址，而是指向目录表中相应条目的指针，条目的内容指向相应记录所在的物理块，如图7-6所示。图7-6哈希文件的逻辑结构，7.3文档目录(1)实现“按名称访问”。(2)提高目录检索速度。(3)文件共享。(4)允许文件具有相同的名称。7.3.1文件控制块和索引节点1。文件控制块FCB(File Control Block)为了有效地管理系统中的大量文件，文件控制块通常包含三种类型的信息，即基本信息、访问控制信息和使用信息。基本信息类基本信息类包括(1)文件名。(2)文件的物理位置。(3)文件的逻辑结构。(4)文件的物理结构。访问控制信息类访问控制信息类包括文件所有者、授权用

14、户和一般用户的访问权限。使用信息类使用信息类包括文件建立的日期和时间、文件最后修改的日期和时间以及当前使用信息。这些信息包括已打开文件的进程数、文件是否被其他进程锁定、文件是否已在内存中修改但未复制到磁盘等。应该注意的是，对于不同的操作系统文件系统，由于它们的功能不同，它们可能只包含上述部分信息。图7-7文件控制块。索引节点1)索引节点的导入文件目录通常存储在磁盘上。当有许多文件时，文件目录可能会占用大量磁盘块。在搜索目录的过程中，您必须首先将存储目录文件的第一个磁盘块中的目录转移到内存中，然后将用户给出的文件名与目录条目中的文件名逐一进行比较。如果找不到指定的文件，则需要将下一个块的目录条目

15、转移到内存中。图7-8 UNIX文件目录2)磁盘索引节点这是存储在磁盘上的索引节点。每个文件都有一个唯一的磁盘索引节点，主要包括以下内容：(1)文件主标识符，即拥有该文件的个人或组的标识符；(2)文件类型，包括常规文件、目录文件或特殊文件；(3)文件访问权是指各种用户对文件的访问权；(4)文件物理地址，每个索引节点包含13个地址项，即iaddr(0)iaddr(12)，直接或间接给出数据文件所在磁盘块的编号；(5)文件长度是指以字节为单位的文件长度；(6)文件连接计数，表示指向该文件系统中文件名的所有指针的计数；(7)文件访问时间，表示该文件最近被进程访问的时间、最近被修改的时间以及索引节点最

16、近被修改的时间。3)内存索引节点这是存储在内存中的索引节点。打开文件时，将磁盘索引节点复制到内存中的索引节点，以备后用。将以下内容添加到内存索引节点：(1)索引节点号用于标识内存索引节点；(2)状态，表示该节点是否被锁定或修改；(3)访问计数：当一个进程想要访问这个I节点时，在访问计数上加1，然后在访问后减1；(4)文件所属文件系统的逻辑设备号；(5)链接指针，分别提供指向空闲链表和散列队列的指针。7.3.2简单文件目录1。单层文件目录这是最简单的文件目录。整个文件系统只建立一个目录表，每个文件占用一个目录项，目录项包含文件名、文件扩展名、文件长度、文件类型、文件物理地址等文件属性。此外，设置状态位以指示每个目录条目是否空闲。单层文件目录如图7-9所示。图7-9单层文件目录2。两级文件目录为了克服单级文件目录的缺点，可以为每个用户建立单独的用户文件目录UFD(用户文件目录)。这些文件目录具有相似的结构，由用户拥有的