操作系统-文件管理（下）

文件存储空间管理

存储空间的划分与初始化

• 存储空间的划分：将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘）

   例如：
   	安装Windows操作系统时，一个必经步骤是--
   	为磁盘分区（C:盘、D:盘、E:盘等）如下图
  

  

  • 存储空间的初始化：将各个文件卷划分为目录区、文件区。
    目录区主要存放文件目录信息（FCB）、用于磁盘存储空间管理的信息
    文件区用于存放文件数据
  • 有的系统支持超大型文件，可支持由多个物理磁盘组成一个文件卷

存储空间管理

空闲表法 - 适用于“连续分配方式”

• 空闲盘块表

第一个空闲盘块号	空闲盘块数
0	2
5	1
13	2
18	3
23	1

• 如何分配磁盘块：与内存管理中动态分区分配类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间。
• 如何回收磁盘块：与内存管理中动态分区分配类似，当回收某个存储区时需要有四种情况——①回收区的前后都没有相邻空闲区；②回收区的前后都是空闲区；③回收区前面是空闲区；④回收区后面是空闲区。**总之，回收时需要注意表项的合并问题。

空闲链表法

• 空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链

    操作系统保存着链头、链尾指针
  
    如何分配：若某文件申请K个磁盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针
    如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针
    	（与链表操作一致）
  
    适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作。
  

• 空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链

    连续的空闲盘块组成一个空闲盘区
    空闲盘区中的第一个盘块内记录了盘区的长度、下一个盘区的指针
    
    如何分配：某文件申请K个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个符合
    		   要求的空闲盘区， 分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，
    	 	   注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据
    如何回收：若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收
    	 	   区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。
  

位示图法

• 位示图——连续分配、离散分配都适用
  每个二进制对应一个盘块。本例中，“0”代表盘块空闲，“1”代表盘块已分配。
  位示图一般用连续的“字”来表示。如本例中一个字的字长为16位，字中的每一位对应一个盘块。因此可用（字号，位号）对应一个盘块号。

  	盘块号与（字号，位号）相互转换的公式
  	本例中盘块号、字号、位号从0开始，若n表示字长，则
  	（字号，位号）=（i,j）的二进制位对应的盘块号b=ni+j
  		b号盘块对应的字号i=b/n，位号j=b%n
  

  
  

  如何分配：若文件需要K个块，
  		①顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的“0”；
  		②根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；
  		③将相应位设置为“1”。
  

成组链接法

文件共享

基于索引节点的共享方式（硬链接）

• 索引结点，是一种文件目录瘦身策略。由于检索文件时只需要用到文件名，因此可以将除了文件名之外的其他信息放到索引结点中。这样目录项就只需要包含文件名、索引结点指针。
• 索引结点中设置一个连接计数变量count，用于标识链接到本索引节点上的用户目录项数。
• 若某个用户决定“删除”文件，则只是把用户目录中与改文件对应的目录项删除，且索引结点的count值减1。

基于符号链的共享方式（软链接）

• 在一个Link型文件中记录共享文件的存放路径（类似于Windows中的快捷方式）
• 即使软链接指向的共享文件已被删除，Link型文件依然存在，只是通过Link型文件中的路径去查找共享文件会失败（找不到对应目录项）
• 由于用软链接的方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O

文件保护

口令保护

为文件设置一个“口令”（如:abc1123），用户请求访问改文件时必须提供“口令”
优点：保存口令的空闲开销不多，验证口令的时间开销也小
缺点：正确的口令存放在系统内部，不够安全

加密保护

使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密
Eg：一个最简单的加密算法——异或加密

优点：保密性强，不需要再系统中存储“密码”
缺点：编码/译码，或者说加密/解密需要花费一定时间

访问控制

在每个文件的（FCB）中增加一个访问控制列表（ACL），该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作
实现灵活，可以实现复杂的文件保护功能

文件系统的层次结构

磁盘结构

磁盘、磁道、扇区

• 磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据
  

• 磁盘的盘面被划分为一个个磁道。一个“圈”就是一个磁道

• 一个磁道又被划分成一个个扇区，每个扇区就是一个“磁盘块”。各个扇区存放的数据量相同。
  

• 最内侧的磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大

在磁盘中读/写数据

1. 需要把“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道
2. 磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读/写操作

盘面/柱面的概念

• 磁盘有多个盘片“摞”起来，每个盘片有两个盘面
• 所有盘面中相对位置自相同的磁道组成柱面

磁盘的物理地址

• 可用**（柱面号，盘面号，扇区号）**来定位任意一个“磁盘块”。

磁盘的分类

根据磁头是否可移动

• 活动头磁盘
  磁头可以移动的称为活动头磁盘，磁臂可以来回伸缩来带动磁头定位磁道
• 固定头磁盘
  磁头不可移动的称为固定头磁盘。这种磁盘中每个磁道有一个磁头

根据盘片是否可更换

• 固定盘磁盘
• 可换盘磁盘

磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

• 寻找时间（寻道时间）Ts：在读/写数据之前，将磁头移动到指定磁道所花的时间
  ① 移动磁头臂 是需要时间的。假设耗时为s；
  ② 移动磁头也是需要时间的。假设磁头是匀速移动，每跨越一个磁道耗时为m，总共需要跨越n条磁道。则：
  寻道时间Ts=s+m*n
• 延迟时间Tr：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为r（单位：转/秒，或转/分），则平均所需的延迟时间Tr=（1/2）*（1/r）=1/2r
• 传输时间Tt：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为r，此次读/写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N。则：
  传输时间Tt=（1/r）*（b/N）=b/(rN)