操作系統(tǒng)——第6章文件管理-創(chuàng)新互聯(lián)

目錄

• • 第6章 文件管理
  • • 基本概念
    • • 記錄式文件的結(jié)構(gòu)
    • 文件存取方法
    • 文件存儲的物理結(jié)構(gòu)
    • • 文件物理結(jié)構(gòu)
      • • 連續(xù)文件
        • 串聯(lián)文件
        • 索引文件
      • 文件存儲設(shè)備
      • • 順序存取存儲設(shè)備
        • 直接存取存儲設(shè)備
    • 文件存儲空間管理
    • • 空閑文件目錄
      • 空閑塊鏈
      • • 成組鏈法
      • 位示圖
    • 文件目錄管理與存取控制
    • • 基本概念
      • 文件目錄
      • • 單級目錄
        • 二級目錄
        • 多級目錄
      • 文件共享
      • • 繞道法
        • 鏈接法
        • • 硬鏈接
          • 軟鏈接
        • 基本文件目錄表BFD
      • 目錄管理
      • • 基本文件目錄表BFD
      • 存取控制
      • • 存取控制矩陣
        • 存取控制表
        • 口令方式
        • 密碼方式
    • 文件的層次結(jié)構(gòu)及使用

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1. 文件系統(tǒng)必須完成的工作

   • 文件存儲空間管理：在輔存上分配、回收、調(diào)整存儲區(qū)

   • 邏輯文件管理：用戶可見的文件邏輯結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)按名存取

   • 物理文件管理：實現(xiàn)邏輯文件到物理文件的轉(zhuǎn)換，文件在輔存上的物理結(jié)構(gòu)

   • 文件目錄管理：對存儲設(shè)備上的文件信息可以進行查找

   • 文件共享和安全管理

2. 文件具有兩種解釋

   • 文件是具有標識符的相關(guān)聯(lián)字符流的集合（無結(jié)構(gòu)的），常用操作系統(tǒng)都將文件視為這種形式

   • 文件是具有標識符的相關(guān)聯(lián)記錄的集合（記錄是有意義的信息單位），數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)常使用這種形式

3. 文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中管理文件的部分，負責(zé)為用戶建立、撤銷、讀寫、修改與復(fù)制文件，完成文件的按名存取與訪問控制

4. 文件的分類（按性質(zhì)和用途）

   • 系統(tǒng)文件：用戶不能讀寫與修改，只能通過系統(tǒng)調(diào)用使用之

   • 庫文件：用戶可以讀取和執(zhí)行，但不能修改，是一些標準子程序庫

   • 用戶文件：用戶委托系統(tǒng)保存的文件，所有者和被授權(quán)者才能使用

5. 文件的分類（按組織形式）

   • 普通文件：一般格式的文件

   • 目錄文件：記錄著文件的目錄信息，其中沒有程序和數(shù)據(jù)，用于檢索普通文件

   • 特殊文件：例如UNIX系統(tǒng)中將設(shè)備都視為特殊文件

記錄式文件的結(jié)構(gòu)

記錄式文件中保存著一條條記錄，記錄是具有特定意義的信息單位。記錄位于文件中的某一邏輯地址處，由與記錄名對應(yīng)的一組關(guān)鍵字、屬性、屬性值組成

一個記錄式結(jié)構(gòu)的文件中包含很多記錄，這些記錄一般有以下幾種組織方式

1. 連續(xù)結(jié)構(gòu)

   即將記錄按生成的先后順序，連續(xù)排列，這種結(jié)構(gòu)也可以用于無結(jié)構(gòu)文件的組織（將每個字節(jié)視為一個記錄）

   便于追加與變更，但不利于搜索

2. 多重結(jié)構(gòu)

   將“每個關(guān)鍵字存在于各記錄中的情況”存儲下來，可以使用隊列來存儲，下圖是有m個關(guān)鍵字的存儲例子， K 1 , K 2 , … , K m K_1,K_2,\dots,K_m K1?,K2?,…,Km?為各記錄中關(guān)鍵字的集合， R i , R x R_i,R_x Ri?,Rx?等是各記錄

3. 轉(zhuǎn)置結(jié)構(gòu)

   將指向關(guān)鍵字相同的記錄的指針連續(xù)排放，如此便于查找關(guān)鍵字相同的某一特定記錄

4. 順序結(jié)構(gòu)

   按某種優(yōu)先級或排序規(guī)則存放各記錄，例如按字典序、按時間序等構(gòu)成順序結(jié)構(gòu)文件

文件存取方法

文件存取的目的是找到文件內(nèi)容所在的邏輯地址，一般有三種存取方法

1. 順序存取

   即按文件的邏輯地址順序存取

   在記錄型文件中，按記錄排列順序存取，下一次訪問的記錄為當前訪問記錄的下一條

   在無結(jié)構(gòu)字符流文件中，讀寫指針在存取完一段后，會自動后移/前移該段的長度

2. 隨機存取

   也稱為直接存取，可以根據(jù)記錄編號直接存取某記錄，或是直接將讀寫指針移到目標位置進行存取

3. 按關(guān)鍵字存取

   多用在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，在存取時需要先根據(jù)關(guān)鍵字或記錄名搜索到目標的邏輯位置，再進行存取

   此處的搜索一般分為兩步進行：關(guān)鍵字搜索和記錄搜索。關(guān)鍵字搜索確認該關(guān)鍵字在文件中的位置（找到記錄隊列），在搜索到目標關(guān)鍵字后再通過記錄搜索找到特定的某條記錄

   顯然，上述的搜索可以使用線性搜索、散列法、二分搜索等搜索算法完成

文件存儲的物理結(jié)構(gòu)

總的來說，不管使用哪種存取方法，最終影響到物理存儲的信息上，都遵循如下步驟

1. 搜索到要操作對象的邏輯地址

2. 將此邏輯地址映射到對應(yīng)的物理地址

3. 對物理地址處的有關(guān)信息進行操作

文件物理結(jié)構(gòu)

文件物理結(jié)構(gòu)，就是文件在存儲設(shè)備上存放的物理組織方式，邏輯地址到物理地址的變換也是由文件的物理結(jié)構(gòu)決定的

文件系統(tǒng)會將存儲設(shè)備劃分為若干大小相等的物理塊，以便于管理

連續(xù)文件

將邏輯上連續(xù)的文件依次存放在物理塊中，標記文件需要文件名、首地址、文件長度。要取得文件的中間部分時，可以直接通過起始地址與偏移量訪問

在文件存放、刪除的過程中，會出現(xiàn)一些存儲碎片，即下圖中文件之間的空白塊，這說明連續(xù)文件結(jié)構(gòu)不適合存儲需要經(jīng)常修改的文件

對這些碎片，可以進行整理，即把文件都往前移動，調(diào)整為按序存放

串聯(lián)文件

使用非連續(xù)的物理塊來存儲信息，文件的每個物理塊都通過指針指示下一個物理塊。要取得文件的中間部分時，只能順著指針一個個物理塊往下找，搜索效率低，不適合隨機存取

事實上，以串聯(lián)形式組織的文件無需指出文件長度，順著指針就可以知道文件有多長。但有時為了效率，還是會記錄一下文件的長度。串聯(lián)文件物理結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生碎片

索引文件

要求系統(tǒng)為每個文件建立一張索引表，表中記錄了文件所在的邏輯塊號和與之對應(yīng)的物理塊號。采用此種方式存儲的文件，可以動態(tài)增長，而且也可以較為方便地實現(xiàn)隨機存取

文件說明信息表中，每個文件都有個索引表指針，指出該文件的索引表的存儲位置。顯然，當文件很大時，索引表的大小很可能會超出一個物理塊，那么又需要對索引表進行組織，非常不方便。當然，可以使用二級索引解決索引文件超過一個物理塊大小的問題

顯然，索引文件的物理結(jié)構(gòu)需要額外的存儲空間存放索引表，并且至少需要訪問存儲器兩次才能取得需要的文件信息，降低了速度

可以對這種物理結(jié)構(gòu)稍作改進，每個索引項指出的不是一個物理塊，而是一段物理塊，指出起始地址和長度即可，也就是進行了變長分區(qū)

文件存儲設(shè)備 順序存取存儲設(shè)備

磁帶就是典型的順序存取存儲設(shè)備

順序存取存儲設(shè)備只有在前面的物理塊被存取過后，才能存取后續(xù)物理塊。一般會在相鄰的兩個物理塊之間設(shè)計一個間隙將物理塊隔開

直接存取存儲設(shè)備

磁盤就是典型的直接存取存儲設(shè)備

通過磁頭的移動，文件系統(tǒng)可以直接存取磁盤上任意位置的物理塊。磁盤的結(jié)構(gòu)如下圖所示

盤片的兩面都可以存儲信息，一個盤片對應(yīng)一個磁頭臂，每個磁頭臂上都有兩個磁頭，可以讀寫盤片的上下面。一圈圈的稱為“磁道”每個面會分為若干個扇區(qū)，各盤片的相同磁道構(gòu)成了柱面

文件存儲空間管理

即空閑塊的組織和管理，包括空閑塊的組織、分配與回收。下面是三種空閑塊的管理方法

空閑文件目錄

將空閑塊視為特殊的文件，稱為空閑文件，然后將這些空閑文件集中在一個目錄中。事實上，這個目錄中的每個表項都可以理解為一個“空閑文件”，每個空閑文件記錄著一段空閑物理塊的信息（包括起始塊號、塊數(shù)量、文件名等）

分配空閑區(qū)時，可以使用最先適應(yīng)法、最優(yōu)適應(yīng)法、最壞適應(yīng)法，從前往后掃描空閑文件目錄，直到找到一個滿足需求的，將信息放入對應(yīng)物理塊，然后修改空閑文件目錄

釋放空閑區(qū)時，將這段即將空出來的空閑區(qū)的首塊號和塊數(shù)作為空閑文件放在空閑文件目錄中，之后可能會進行表項的合并

這種方法適合連續(xù)文件結(jié)構(gòu)

空閑塊鏈

將存儲設(shè)備上的空閑塊以鏈表形式組織起來。分配空閑區(qū)時，從鏈頭開始摘取所需空閑塊，再調(diào)整鏈首指針；釋放空閑區(qū)時，將釋放的空閑塊插在鏈尾

成組鏈法

成組鏈法將每50個空閑塊視為一組，在初始構(gòu)建成組鏈時從后往前進行分組，每組的第一塊用來存放前一組中（由于是從后往前進行分組的，此處的“前一組”指的當前位置后面的一組）

成組鏈法的具體詳解請見專題

位示圖

和存儲管理中提到過的位示圖原理思路相同。系統(tǒng)會從內(nèi)存中劃出一片區(qū)域，位示圖反映每個文件存儲設(shè)備的使用情況，每個文件存儲設(shè)備的物理塊對應(yīng)位示圖中的一個比特，0表示該塊為空閑塊，1表示該塊已被分配

文件目錄管理與存取控制 基本概念

1. 文件說明/文件控制塊FCB：文件名和對該文件實施控制管理的控制管理信息（包括文件類型、文件結(jié)構(gòu)等）

2. 文件體：即文件本身，可以使記錄式文件或字符流式文件

3. 目錄文件：存放文件目錄信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中每條記錄都是一個文件的說明信息。注意與文件目錄的區(qū)分

文件目錄 單級目錄

文件系統(tǒng)為存儲設(shè)備的所有文件建立一張目錄表，每個文件的文件說明信息占一項。此目錄表存在存儲設(shè)備的某固定區(qū)域，需要時全部或部分調(diào)入內(nèi)存

在單級目錄結(jié)構(gòu)中，各文件說明項處于相同的地位，搜索文件時需要搜索文件系統(tǒng)中全部的文件，且系統(tǒng)中不允許有兩個名稱相同的文件

二級目錄

文件說明信息被組織成目錄文件，并以用戶為單位把各自的文件說明分為不同的組

各組的存取控制信息應(yīng)放在主目錄MFD的目錄項中，MFD的每個表項指向一個用戶文件目錄UFD，每個UFD中記錄著一個用戶的所有文件

通過二級目錄，可以解決文件重名和文件共享的問題，提高了搜索速度

從上圖可見，若有多個用戶需要共享某文件，只要兩個用戶的UFD中對應(yīng)表項指示同一個物理塊起始地址即可。事實上，被多個用戶共享的單個文件可以以不同文件名存在于各用戶的UFD中。例如上圖中，Zhang的UFD中的Editor表項的文件名不一定和Wang的一樣為Editor

多級目錄

在多級目錄中，除了最低一級（即葉子結(jié)點）中真正存了文件內(nèi)容外，其他級的目錄中存放的都是下一級目錄或文件的說明信息，最高層則作為根目錄

多級目錄構(gòu)成的是一個樹狀的結(jié)構(gòu)

從上圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)多級目錄的一些特點

1. 層次清晰，可以根據(jù)不同用戶、不同類型、不同性質(zhì)將文件構(gòu)成不同的子樹，利于文件的管理與保護

2. 較好解決重名問題，同一子目錄下的文件名不重復(fù)就可以

3. 查找速度更快，在確定了要查找的目標后，只需要在某個較小的子樹中進行搜索，要搜索的文件數(shù)目大大減少

文件共享 繞道法

從當前目錄出發(fā)，往上級目錄走，直到到達與所要共享文件所在路徑的交叉點，然后再向共享文件方向往下走，從而訪問共享文件。繞道法需要用戶指定被共享的文件和被鏈接的目錄

鏈接法

直接在相應(yīng)目錄表之間進行鏈接，將一個目錄中的鏈指針直接指向被共享文件所在的目錄，顯然鏈接法中仍然需要用戶指定被共享的文件和被鏈接的目錄

鏈接法往往分為硬鏈接和軟鏈接兩種

硬鏈接

使得要共享同一文件的目錄指向該文件的索引節(jié)點，而不是直接指向物理塊。如此，對該文件的修改就可以通過索引節(jié)點被所有目錄共享

上圖中，目錄a和目錄b中關(guān)于文件Test的記錄存放著指向Test索引節(jié)點的指針。在目錄a或目錄b中修改Test文件時，此變更都會通過索引節(jié)點真實地反映到Test所在的物理塊上

軟鏈接

使用軟鏈接時，要共享同一文件的目錄中保存的Link文件事實上存放著對應(yīng)文件的路徑名，通過這個路徑找到這個文件真實存在的目錄，直接對其進行存取

上圖中，文件F8為目錄D5、D6、D3所共享，虛線箭頭就是軟鏈接（即路徑），當在D3或D5中要對文件F8進行存取時，就會通過此路徑找到實際上處在D6下的F8

基本文件目錄表BFD

這是一種目錄管理的方法，通過這種方法，可以大幅提高文件搜索的速度，具體見下面目錄管理中的內(nèi)容

目錄管理

需要指出的是，由文件說明信息或目錄管理說明信息構(gòu)成的目錄文件也是存放在存儲設(shè)備（外存）中的。根據(jù)上面存取文件時需要進行的物理塊定位操作，可以發(fā)現(xiàn)需要多次訪問外存，這會非常慢

基本文件目錄表BFD

在這種方法下，將文件的FCB分為兩部分，在按文件名查找文件時，只需要使用SFD，既節(jié)省內(nèi)存空間又便于進行快速檢索

事實上，下面所說的各個表是存在于文件系統(tǒng)中的，也就是需要存儲在外存中的

• 基本文件目錄表BFD

  包括文件的結(jié)構(gòu)信息、物理塊號、存取控制、管理信息等，每一個表項都通過由系統(tǒng)賦予的內(nèi)部標識符來唯一標識

• 符號文件目錄SFD

  每個表項只有兩部分——文件名、內(nèi)部標識符

事實上，常把BFD中的表項稱為索引節(jié)點，即I節(jié)點

為了便于表示，上圖中的BFD的表項中缺省了很多內(nèi)容。可以發(fā)現(xiàn)，無論是MFD、SFD，還是文件本身的物理塊位置，都在BFD中被指出。如此，就可以只通過一次索引，就可以找到

根據(jù)上圖舉個🌰

例如要取得用戶Zhang的文件w.c（/Zhang/Sub_d/w.c），過程如下

1. 將MFD中用戶Zhang的表項放入內(nèi)存

2. 根據(jù)上一步得到的ID在BFD中得到Zhang的SFD的物理塊位置，將Zhang的SFD讀入內(nèi)存（可以一部分一部分反復(fù)讀入，也可一次性全部讀入）并進行搜索

3. 根據(jù)上一步搜索到的Sub_d的ID=8，在BFD中找到Sub_d的SFD，再次在其中搜索文件w.c

4. 根據(jù)上一步搜索到的w.c的ID=9，在BFD中找到w.c文件的相關(guān)信息（包括上圖中未標出的文件結(jié)構(gòu)信息、管理信息等），至此，文件成功打開，實現(xiàn)了文件的訪問

在上面這個例子中，不斷地從外存將不同表項調(diào)入內(nèi)存時，一般來說需要添加些內(nèi)容，包括索引節(jié)點編號、索引節(jié)點狀態(tài)、訪問計數(shù)等

另外，經(jīng)過上面的過程打開文件后，將這樣打開的文件稱為活動文件。內(nèi)存中存放SFD表稱為活動名字表（一個用戶一張），內(nèi)存中存放活動文件的BFD表稱為活動文件表（整個系統(tǒng)只有一張）

當然，由于文件本身也可由BFD索引，當文件非常多的時候，BFD可能會非常大，因此，在這個目錄管理方法中，對于文件本身，同樣可以采用多級間接索引的方法，甚至混用不同次數(shù)的間接索引

存取控制

文件存取控制包括三方面的內(nèi)容

• 文件共享

• 文件保護

• 文件保密

只要限制用戶對各文件的讀、寫、執(zhí)行的權(quán)限就可以完成上述工作。存取控制驗證模塊的工作就是要完成上述三種用戶權(quán)限的控制，一般通過如下步驟完成

• 得到用戶的存取權(quán)限

• 比較用戶的權(quán)限和用戶本次存取要求的是否一致

• 比較存取要求和被訪問文件的保密性，查看是否有沖突

下面是幾種用于驗證用戶存取操作的方法

存取控制矩陣

最易于理解的結(jié)構(gòu)，使用一個二維矩陣來記錄用戶對于各文件的存取權(quán)限

顯然，當文件、用戶數(shù)量較多時，存取控制矩陣會非常浪費空間，且查找時效率也很低

存取控制表

以文件為單位，給每個文件都帶上一個存取控制表，放在文件說明中，同時將用戶分組，存取控制表中記錄的是本文件對于各用戶組的權(quán)限如何

由于文件在打開時會將文件說明信息同時放入內(nèi)存，因此存取控制驗證能更快地運行

口令方式

此處可以有兩種設(shè)計

• 用戶要進入系統(tǒng)使用前，要求其輸入口令

• 創(chuàng)建文件時，給文件設(shè)置口令，放在文件的文件說明中，使用該文件前要求輸入口令

這種方式實現(xiàn)簡單，占用內(nèi)存空間小，但保密性較差

密碼方式

對文件本身進行加密，在文件放入存儲設(shè)備時，對文件編碼加密，在讀出時又需要輸入密碼進行譯碼解密

這種方式保密性強，但是編解碼（加密解密）需要花費較多時間進行計算

文件的層次結(jié)構(gòu)及使用

用戶要使用文件，文件系統(tǒng)需要以系統(tǒng)調(diào)用或命令方式為用戶提供下列服務(wù)

• 設(shè)置和修改用戶對文件的存取權(quán)限

• 創(chuàng)建、修改、刪除目錄

• 文件共享，訪問路徑設(shè)置

• 創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉、撤銷文件

將文件系統(tǒng)進行分層，便于實現(xiàn)和調(diào)整，相鄰的層次通過接口進行交互

上圖中右側(cè)已經(jīng)標出各層次的功能，例如符號文件系統(tǒng)SFD完成了文件名到文件標識符fd的轉(zhuǎn)換，也就是說上一層用戶接口給SFD提供了文件名

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