《操作系统》--文件管理

猿脸西施

已于 2025-01-04 14:23:40 修改

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文章标签：数据库

于 2025-01-04 00:34:43 首次发布

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8.1 文件和文件系统

文件系统有两部分组成：文件集合和目录

1.定义

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，在用户进行的输入、输出中，以文件位基本单位。

文件管理系统是实现的文件的访问、修改和保存，对文件维护管理的系统。

2. 文件的结构

数据项：是文件系统中最低级的数据组织形式，可分为以下两种类型：
- 基本数据项：用于描述一个对象的某种属性的一个值，是数据中的最小逻辑单位。
- 组合数据项：由多个基本数据项组成。
记录：是一组相关的数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。
文件：一组信息的集合
是指由创建者所定义的、具有文件名的一组相关元素的集合，分为有结构文件和无结构文件两种。
- 在有结构的文件中，文件由若干个相似的记录组成，如一个班的学生记录；
- 无结构文件则被视为一个字符流，比如一个二进制文件或字符文件。

文件主要属性：

文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件创建的时间

8.1.4 文件操作

1. 最基本的文件操作：

文件属于抽象数据类型。为了正确地定义文件，需要考虑可以对文件执行的操作。操作系统提供系统调用，它对文件进行创建、写、读、重定位、删除和截断等操作。

创建文件（creat 系统调用）

为新文件分配必要的外存空间；
在目录中为之创建一个目录项，目录项记录了新文件名、在外存中的地址及其他可能的信息。

删除文件（delete 系统调用）

先从目录中检索指定文件名的目录项
然后释放该文件所占的存储空间，以便可被其他文件重复使用，并删除目录条目。

读文件（read系统调用）

对于给定文件名，搜索目录以查找文件位置。
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。

写文件（write系统调用）

对于给定文件名，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。

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。

设置文件的读/写位置（重新定位文件）

也称文件定位。搜索目录以找到适当的条目，并将当前文件位置指针重新定位到给定值。

重新定位文件不涉及读、写文件。

截断文件

允许文件所有属性不变，并删除文件内容，将其长度置为0并释放其空间。

2.文件的打开与关闭操作

打开文件（open系统调用）

过程：调用open根据文件名搜索目录，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。

打开文件时并不会把文件数据直接读入内存。“索引号”也称“文件描述符”。

打开文件之后，对文件的操作不再需要每次都查询目录，可以根据内存中的打开文件表进行操作。

如上图所示，在多个不同进程同时打开文件的操作系统中，通常采用两级表：整个系统表和每个进程表。

整个系统的打开文件表包含FCB的副本及其他信息。
每个进程的打开文件表根据它打开的所有文件，包含指向系统表中适当条目的指针。

一旦有进程打开了一个文件，系统表就包含该文件的条目。当另一个进程执行调用open时，只不过是在其文件打开表中增加一个条目，并指向系统表的相应条目。

关闭文件（close系统调用）
- 1.将进程的打开文件表相应表项删除
- 2.回收分配给该文件的内存空间等资源
- 3.系统打开文件表的打开计数器count减1，若count=0，则删除对应表项。

系统打开文件表为每个文件关联一个打开计数器（OpenCount)，以记录多少进程打开了该文件。

文件名不必是打开文件表的一部分，因为一且完成对FCB在磁盘上的定位，系统就不再使用文件名。对于访问打开文件表的索引，UNIX称之为文件描述符，而Windows称之为文件句柄。
因此，只要文件未被关闭，所有文件操作就通过打开文件表来进行。

其他文件操作

4.文件的保护

8.2.0 文件控制块和索引节点

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"。

操作系统通过文件控制块（FCB）来维护文件元数据。FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。下图为一个典型的FCB。

FCB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：包括文件主的存取权限、核准用户的存取权限以及一般用户的存取权限。
使用信息：如文件建立时间、上次修改时间等。

一个文件目录也被视为一个文件，称为目录文件。

FCB的有序集合称为文件目录。

2.索引节点

在检索目录时，只用到了文件名，因此有的系统采用文件名与文件描述分开的方法，使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（inode)。

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。

假设一个FCB为64B，盘块大小是1KB，则每个盘块中可以存放16个FCB（FCB必须连续存放），若一个文件目录共有640个FCB，则查找文件平均需要启动磁盘20次。

而在UNIX系统中，一个目录项仅占16B，其中14B是文件名，2B是 i 结点指针。在1KB的盘块中可存放64个目录项。这样，可使查找文件的平均启动磁盘次数减少到原来的1/4，大大节省了系统开销。

磁盘索引节点

它是指存放在磁盘上的索引结点。每个文件有一个唯一的磁盘索引结点，主要包括以下内容：

文件主标识符，拥有该文件的个人或小组的标识符。
文件类型，包括普通文件、目录文件或特别文件。
文件存取权限，各类用户对该文件的存取权限。
文件物理地址，每个索引结点中含有13个地址项，即iaddr(0)～iaddr(12)，它们以直接或间接方式给出数据文件所在盘块的编号。
文件长度，指以字节为单位的文件长度。
文件链接计教，在本文件系统中所有指向该文件的文件名的指针计数。
文件存取时间，本文件最近被进程存取的时间、最近被修改的时间及索引结点最近被修改的时间。

内容索引节点

它是指存放在内存中的索引结点。当文件被打开时，要将磁盘索引结点复制到内存的索引结点中，便于以后使用。在内存索引结点中增加了以下内容：

索引结点编号，用于标识内存索引结点。
状态，指示 i 结点是否上锁或被修改。
访问计数，每当有一进程要访问此 i 结点时，计数加1；访问结束减1。
逻辑设备号，文件所属文件系统的逻辑设备号。
链接指针，设置分别指向空闲链表和散列队列的指针。

8.2 文件的逻辑结构

文件的逻辑结构是从用户观点出发看到的文件的组织形式。文件的物理结构（存储结构）是从实现观点出发看到的文件在外存上的存储组织形式。

文件的逻辑结构与存储介质特性无关，它实际上是指在文件的内部，数据逻辑上是如何组织起来的。

无结构文件（流式文件）

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。
- 只能通过穷举搜索的方式访问记录。
- 其管理简单，用户操作方便。
- 对基本信息单位操作不多的文件适于采用字符流的无结构文件。例如源程序文件、目标代码文件等。

有结构文件（记录式文件）
- 顺序文件
  
  文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。
  
  各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。
  - 链式存储：无论是定长何变长记录，都无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找
  - 顺序存储：
    
    可实现随机存取，记录长度为L，则第ⅰ个记录存放的相对位置是i*L
    
    若采用串结构，记录之间的顺序与关键字无关，无法快速找到某关键字对应的记录
    
    若采用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录（如折半查找）
  定长记录的顺序文件，若物理上采用顺序存储，则可实现随机存取：若能再保证记录的顺序结构，则可实现快速检索（即根据关键字快速找到对应记录）
  
  优点：读写一大批文件时，效率最高。适用于顺序存储设备（磁带）
  
  缺点：不方便增加、删除记录

2.索引文件

索引表：高效查询变长记录文件。索引表本身是定长记录的顺序文件，因此可以快速找到第ⅰ个记录对应的索引项。

3.索引顺序文件

索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中，同样会为文件建立一张索引表，但不同的是：并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。

将记录分组，每组对应一个素引表项
检素记录时先顺序查索引表，找到分组，再顺序查找分组
当记录过多时，可建立多级素引表

8.3 文件的物理结构

文件的物理结构即文件的存储结构，就是研究文件的实现，即文件数据在物理存储设备上是如何分布和组织的。

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。

1.连续分配

连续分配方法要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。磁盘地址定义了磁盘上的一个线性排序，这种排序使作业访问磁盘时需要的寻道数和寻道时间最小。

注：会产生外部碎片

访存次数：访问第n条记录需访问磁盘1次

2.链接分配

接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。

访问第n条记录需访问磁盘n次

隐式链接

除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。

采用隐式链接的链接分配方式，很方便文件拓展。另外，所有的空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题，外存利用率高

显示链接

把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在文件分配表（FAT）中。一个磁盘只会建立一张文件分配表。开机时文件分配表放入内存，并常驻内存。

采用链式分配（显式链接）方式的文件，支持顺序访问，也支持随机访问（想访问ⅰ号逻辑块时，并不需要依次访问之前的0~ｉ-1号逻辑块），由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。

文件分配表：FAT不仅记录了文件分配信息（显示链接），还“兼职”做了空闲块管理

3.索引分配

索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

索引表的逻辑块号可以是隐含的，进一步节约空间；

链接方案

如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。

缺点：需要顺序访问，当文件很大时，查找效率低下

多级索引

多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。

采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要K+1次读磁盘操作

缺点：即使是小文件，访问数据块也需受K+1次读磁盘

混合索引

多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表）。

允许的文件最大长度：设有N0个直接地址项；N1个一次间接地址项；N2个二次间接地址项；每个盘块大小M字节；盘块号占m个字节，公式如下：

优点：对于小文件，只需较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块。（一般计算机中小文件更多）

单个文件的逻辑结构和物理结构之间是否存在某些制约关系？

文件的逻辑结构是用户可见的结构，即从用户角度看到的文件的全貌。文件的物理结构是文件在存储器上的组织结构。它和文件的存取方法以及存储设备的特性等都有着密切的联系。单个文件的逻辑结构和物理结构之间虽无明显的制约或关联关系，但是如果物理结构选择不慎，也很难体现出逻辑结构的特点，比如一个逻辑结构是顺序结构，而物理结构是隐式链接结构的文件，即使理论上可以很快找出某条记录的地址，而实际仍需在磁盘上一块一块地找。
学到这里时，读者应能有这样的体会：现代操作系统的思想中，处处能见到面向对象程序设计的影子。本节我们学习的一个新概念一—文件，实质上就是一个抽象数据类型，也就是一种数据结构，若读者在复习操作系统之前已复习完数据结构，则遇到一种新的数据结构时，一定会有这样的意识：要认识它的逻辑结构、物理结构，以及对这种数据结构的操作