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文件管理
文件是以计算机硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合，文件可以是文本文档、图片、程序等。在系统运行时，计算机以进程为基本单位进行资源的调度和分配；而在用户进行的输入、输出中，则以文件为基本单位。大多数应用程序的输入都是通过文件来实现的，其输出也都保存在文件中，以便信息的长期存储及将来的访问。当用户将文件用于应用程序的输入、输出时，还希望可以访问文件、修改文件和保存文件等，实现对文件的维护管理，这就需要系统提供一个文件管理系统，操作系统中的文件系统(File System)就是用于实现用户的这些管理要求的。
文件系统基础
文件的属性
- 名称。文件名称唯一，以容易读取的形式保行。
- 标识符。标识文件系统内文件的唯一标签，通常为数字，是对人不可读的一种内部名称。
- 类型。被支持不同类型的文件系统所使用。
- 位置。指向设备和设备上文件的指针。
- 大小。文件当前大小(用字节、字或块表示)，也可包含文件允许的最大值。
- 保护。对文件进行保护的访问控制信息。
- 时间、日期和用户标识。文件创建、上次修改和上次访问的相关信息，用于保护和跟踪文件的使用。
文件的基本操作
- 创建文件。创建文件有两个必要步骤: 一是在文件系统中为文件找到空间;二是在目录中为新文件创建条目，该条目记录文件名称、在文件系统中的位置及其他可能的信息。
- 写文件。为了写文件，执行一个系统调用，指明文件名称和要写入文件的内容。对于给定文件名称，系统搜索目录以查找文件位置。系统必须为该文件维护一个写位置的指针。每当发生写操作时，便更新写指针。
- 读文件。为了读文件，执行一个系统调用，指明文件名称和要读入文件块的内存位置。同样，需要搜索目录以找到相关目录项，系统维护一个读位置的指针。每当发生读操作时，更新读指针。一个进程通常只对一个文件读或写，因此当前操作位置可作为每
个进程当前文件位置的指针。由于读和写操作都使用同一指针，因此节省了空间，也降低了系统复杂度。 - 文件重定位(文件寻址)。按某条件搜索目录，将当前文件位置设为给定值，并且不会读、写文件。
- 删除文件。先从目录中找到要删除文件的目录项，使之成为空项，然后回收该文件所占用的存储空间。
- 截断文件。允许文件所有属性不变，并删除文件内容，即将其长度设为0并释放其空间。
这6个基本操作可以组合起来执行其他文件操作。例如，一个文件的复制，可以创建新文件、从旧文件读出并写入新文件。
文件的打开与关闭
因为许多文件操作都涉及为给定文件搜索相关目录条目，因此许多系统要求在首次使用文件时，使用系统调用open将指明文件的属性(包括该文件在外存上的物理位置)从外存复制到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号(也称索引)返回给用户。操作系统维护一个包含所有打开文件信息的表(打开文件表，open-file table)。当用户需要一个文件操作时， 可通过该表的一个索引指定文件，因此省略了搜索环节。当文件不再使用时，进程可以关闭它，操作系统从打开文件表中删除这一条目。
整个系统表包含进程相关信息，如文件在磁盘的位置、访问日期和大小。一个进程打开一个文件，系统打开文件表就会为打开的文件增加相应的条目。当另一个进程执行open时，只不过是在其进程打开表中增加一个条目，并指向整个系统表的相应条目。通常，系统打开文件表的每个文件时，还用一个文件打开计数器(Open Count)，以记录多少进程打开了该文件。每个关闭操作close使count递减，当打开计数器为0时，表示该文件不再被使用，系统将回收分配给该文件的内存空间等资源。若文件被修改过，则将文件写回外存，并将系统打开文件表中的相应条目删除，最后释放文件的文件控制块(File Control Block，FCB )。
文件的逻辑结构
-
无结构文件（流式文件）
无结构文件是最简单的文件组织形式。无结构文件将数据按顺序组织成记录并积累、保存，它是有序相关信息项的集合，以字节(Byte)为单位。由于无结构文件没有结构，因而对记录的访问只能通过穷举搜索的方式，因此这种文件形式对大多数应用不适用。但字符流的无结构文件管理简单，用户可以方便地对其进行操作。所以，那些对基本信息单位操作不多的文件较适于采用字符流的无结构方式，如源程序文件、目标代码文件等。
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有结构文件（记录式文件）
- 顺序文件
- 索引文件
- 索引顺序文件
- 直接文件或散列文件
目录结构
文件控制块：文件控制块(FCB) 是用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构，以实现“按名存取”。FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。为了创建一个新文件，系统将分配一个FCB并存放在文件目录中，成为目录项。
FCB主要包含以下信息:
- 基本信息，如文件名、文件的物理位置、文件的逻辑结构、文件的物理结构等。
- 存取控制信息，如文件存取权限等。
- 使用信息，如文件建立时间、修改时间等。
索引结点：在检索目录文件的过程中，只用到了文件名，仅当找到一个目录项(查找文件名与目录项中文件名匹配)时，才需要从该目录项中读出该文件的物理地址。也就是说，在检索目录时，文件的其他描述信息不会用到，也不需要调入内存。因此，有的系统采用了文件名和文件描述信息分开的方法，文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构，简称i结点。在文件目录中的每个目录项仅由文件名和指向该文件所对应的i结点的指针构成。
目录结构类型
- 单级目录结构
- 两级目录结构
- 多级目录结构（树形目录结构）
- 无环图目录结构
文件共享
基于索引结点的共享方式(硬链接)
在树形结构的目录中，当有两个或多个用户要共享一个子目录或文件时，必须将共享文件或子目录链接到两个或多个用户的目录中，才能方便地找到该文件，如下图所示。
在这种共享方式中，诸如文件的物理地址及其他的文件属性等信息，不再放在目录项中，而放在索引结点中。在文件目录中只设置文件名及指向相应索引结点的指针。在索引结点中还应有一个链接计数count，用于表示链接到本索引结点(即文件)上的用户目录项的数目。当count = 2时，表示有两个用户目录项链接到本文件上，或者说有两个用户共享此文件。
利用符号链实现文件共享(软链接)
为使用户B能共享用户A的一个文件F,可以由系统创建一个LINK类型的新文件，也取名为F，并将文件F写入用户B的目录中，以实现用户B的目录与文件F的链接。在新文件中只包含被链接文件F的路径名。这样的链接方法被称为符号链接。
新文件中的路径名只被视为符号链，当用户B要访问被链接的文件F且正要读LINK类新文件时，操作系统根据新文件中的路径名去读该文件，从而实现用户B对文件F的共享。
在利用符号链方式实现文件共享时，只有文件的拥有者才拥有指向其索引结点的指针。而共享该文件的其他用户只有该文件的路径名，并不拥有指向其索引结点的指针。这样，也就不会发生在文件主删除一个共享文件后留下一个悬空指针的情况。当文件的拥有者把一个共享文件删除后，其他用户通过符号链去访问它时，会出现访问失败，于是将符号链删除，此时不会产生任何影响。当然，利用符号链实现文件共享仍然存在问题。例如，一个文件采用符号链方式共享，当文件拥有者将其删除，而在共亨的其他用户使用其符号链接访问该文件之前，又有人在同一路径下创建了另一个具有同样名称的文件，则该符号链将仍然有效，但访问的文件已经改变，从而导致错误。
文件保护
为了防止文件共享可能会导致文件被破坏或未经核准的用户修改文件，文件系统必须控制用户对文件的存取，即解决对文件的读、写、执行的许可问题。为此，必须在文件系统中建立相应的文件保护机制。文件保护通过口令保护、加密保护和访问控制等方式实现。其中，口令保护和加密保护是为了防止用户文件被他人存取或窃取，而访问控制则用于控制用户对文件的访问方式。
口令保护
口令指用户在建立一个文件时提供一个口令，系统为其建立FCB时附上相应口令，同时告诉允许共享该文件的其他用户。用户请求访问时必须提供相应的口令。这种方法时间和空间的开销不多，缺点是口令直接存在系统内部，不够安全。
加密保护
加密指用户对文件进行加密，文件被访问时需要使用密钥。这种方法保密性强，节省了存储空间，不过编码和译码要花费一定的时间。
访问控制
解决访问控制最常用的方法是根据用户身份进行控制。而实现基于身份访问的最为普通的方法是，为每个文件和目录增加一个访问控制列表( Access-Control List，ACL)，以规定每个用户名及其所允许的访问类型。
精简的访问列表采用拥有者、组和其他三种用户类型。
- 拥有者。创建文件的用户
- 组。一组需要共享文件且具有类似访问的用户
- 其他。系统内的其他用户。
文件系统实现
目录实现
目录实现的基本方法有线性列表和哈希表两种，要注意目录的实现就是为了查找，因此线性列表实现对应线性查找，哈希表的实现对应散列查找。
线性列表
最简单的目录实现方法是使用存储文件名和数据块指针的线性表。创建新文件时，必须首先搜索目录表以确定没有同名的文件存在，然后在目录表后增加一个目录项。删除文件则根据给定的文件名搜索目录表，接着释放分配给它的空间。重用目录项有许多方法:可以将目录项标记为不再使用，或将它加到空闲目录项表上，还可以将目录表中的最后一个目录项复制到空闲位置,并降低目录表长度。采用链表结构可以减少删除文件的时间，其优点在于实现简单，不过由于线性表的特殊性，比较费时。
哈希表
哈希衣根据文件名得到一个值， 并返回一个指向线性列表中元素的指针。这种方法的优点是查找非常迅速，插入和删除也较简单，不过需要一些预备措施来避免冲突。最大的困难是哈希表长度固定以及哈希函数对表长的依赖性。
文件实现
文件的实现就是研究文件的物理结构，即文件数据在物理存储设备上是如何分布和组织的。同一个问题有两个方面的回答: 一是文件的分配方式，讲的是对磁盘非空闲块的管理;二是文件存储空间管理，讲的是对磁盘空闲块的管理。
文件分配方式
文件分配对应于文件的物理结构,是指如何为文件分配磁盘块。常用的磁盘空间分配方法有三种:连续分配、链接分配和索引分配。
文件存储空间管理
（1）文件存储器空间的划分与初始化。一般来说，一个文件存储在一个文件卷中。文件卷可以是物理盘的部分，也可以是整个物理盘，支持超大型文件的文件卷也可由多个物理盘组成。
（2）文件存储器空间管理。有四种方法：
- 空闲表法
- 空闲链表法
- 位示图法
- 成组链接法
设备管理
I/O设备管理概述
I/O管理需要完成以下四部分内容：
- 状态跟踪。要能实时掌握外部设备的状态。
- 设备存取。要实现对设备的存取操作。
- 设备分配。在多用户环境下，负责设备的分配与回收。
- 设备控制。包括设备的驱动、完成和故障的中断处理。
设备管理相关知识只做了简单的归纳，并没有深入的看，如果需要对哪方面知识进行深入，对照目录百度，Google 即可
I/O控制方式
- 程序直接控制方式：程序直接对设备循环测试
- 中断驱动方式：引入中断机制，当设备准备完成时发生中断
- DMA方式：在I/O设备和内存间开辟直接数据通道
- 通道控制方式：引入专门的I/O处理机进行管理
I/O子系统层次结构
- 用户层I/O软件：实现与用户交互的接口
- 设备独立性软件：实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保以及设备分配与释放
- 设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令
- 中断处理程序：用于处理中断相关事项
- 硬件设备：包括一个机械部件(设备本身)和一个电子部件(控制器)
I/O核心子系统
由于I/O设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，因此需要多种方法来进行设备控制。这些方法共同组成了操作系统内核的I/O子系统，它将内核的其他方面从繁重的I/O设备管理中解放出来。I/O核心子系统提供的服务主要有I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等。
I/O调度
I/O调度就是确定一个好的顺序来执行这些I/O 请求。应用程序所发布的系统调用的顺序不一定总是最佳选择，所以需要I/O调度来改善系统整体性能，使进程之间公平地共享设备访问，减少IO完成所需要的平均等待时间。
高速缓存与缓冲区
磁盘高速缓存：操作系统中使用磁盘高速缓存技术来提高磁盘的I/O速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更为高效。例如，正在运行的进程的指令既存储在磁盘上，又存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。
缓冲区：单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池
设备分配与回收
设备分配是指根据用户的IO请求分配所需的设备。分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。
SPOOLing技术（假脱机技术）
为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾，引入了脱机输入/输出技术。该技术利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。SPOOLing的意思是外部设备同时联机操作，又称假脱机输入/输出操作，是操作系统中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。
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