操作系统笔记—文件篇

文件的基本知识

文件——一组有意义的信息/数据集合

文件的属性：文件名（同一目录下不允许有重名文件），标识符（一个系统内的各个文件标识符唯一，是操作系统用于区分各个文件的内部名称），类型（指明文件的类型），位置（文件存放路径（用户使用），在外存中的地址（操作系统使用，对用户不可见）），大小，创建时间，上次修改时间，文件所有者信息，保护信息（对文件进行保护的访问控制信息）

无结构文件（流式文件）：有二进制或字符流组成；

有结构文件（记录式文件）：由一组相似的记录（记录是一组相关数据项的集合）组成，一般来说，每条记录有一个数据项作为关键字，根据记录的长度是否相等，又可分为定长记录项和可变长记录项

文件之间的组织方式：树状组织形式，通过目录（一种特殊的有结构文件，由记录组成）组织起来

操作系统对上层提供的功能：创建文件（调用了create系统调用），读文件（read系统调用），写文件（调用write系统调用）删除文件（调用了delete系统调用）,打开文件（open系统调用），关闭文件（close系统调用）

操作系统以‘块’（磁盘块/物理块）为单位分配储存空间，外存中的数据读入内存同样以块为单位。每个块的大小相等

文件的逻辑结构

所谓逻辑结构就是用户看来，文件内部的数据是如何组织起来的，二物理结构是指操作系统看来，文件的数据是如何放在外存中的

有结构文件的逻辑组织形式

顺序文件

顺序文件：文件中的记录会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。顺序文件又可以分为串结构（记录之间的顺序与关键字无关）和顺序结构（记录之间的顺序按关键字排列）

链式存储和顺序记录中的可变长记录一定无法实现随机读取，每次只能从第一个开始向后查找；

顺序存储中的定长记录可以实现随机存取，其中串结构无法快速查找；顺序结构可以快速查找

顺序文件的缺点是增加，删除一个记录比较困难（串结构会相对简单）

索引文件

建立一张索引表（定长记录的顺序文件）以加快文件检索速度，每一条记录对应一个索引项，文件中这些记录在物理上可以离散地存放。每当要增加或删除一个记录时，需要对索引表进行修改，而索引表有很快的检索速度，因此主要用于信息处理及时性要求比较高的场合

另外，可以用不同的数据项建立多个索引表

索引顺序文件

同样为文件建立一张索引表（定长记录的串结构的顺序文件），但一组记录对应一个索引表项，索引顺序文件的索引项也不需要按关键字排序，这样可以极大地方便新表项的插入。

文件目录

文件控制块

目录文件中的一条记录就是一个文件控制块（FCB），FCB的有序集合称为‘文件目录’，一个FCB就是一个文件目录项，FCB中包含了文件的基本信息（文件名，物理地址，逻辑结构，物理结构等），存取控制信息（是否可读，可写，禁止访问的用户名单等），使用信息（文件的建立时间，修改时间等），其中最重要的是文件名和物理地址

需要对目录进行的操作：搜索，创建文件，删除文件，显示目录，修改目录，

目录结构

单级目录结构

整个系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。实现了“按名存取”，但不允许文件重名，因此创建文件时要首先检查是否重名；

两级目录结构

分为主文件目录（记录了用户名以及相应用户目录存放的位置）和用户文件目录（用户文件和FCB组成），允许不同用户的文件重名（实际对应的文件不同）

多级目录结构（树形目录结构）

用户或用户进程要访问某个文件时要用文件路径标识文件名，文件路径名是字符串，各级目录中用“/”隔开，从根目录出发的路径称为绝对路径

每读一级目录都要从外存中调取目录表，进行I/O操作

树形目录结构的缺点：不便于实现文件共享

无环图目录

在树形目录结构的基础上，增加了指向同一节点的有向边，使整个目录称为一个有向无环形图

可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录

每一个共享节点有一个共享寄存器，用于记录有多少地方指向该节点，用户提出删除节点的请求时，只是删除了该用户的FCB，并使共享计数器减一，不会直接删除共享节点，只有共享计数器为0时才会删除该节点（注意共享文件不等于复制文件，一方更改共享文件，另一方面也会同步更改）

索引节点（FCB的改进）

查找各级目录的过程中只需要用到“文件名”，只有文件名匹配时，才需要读出文件的其他信息，因此可以对目录表进行简化，将除文件名以外的文件描述信息都放到索引节点中去

在外存中的索引节点称为磁盘索引节点，当索引节点放入内存后称为内存索引节点，内存索引节点需要增加一些信息，比如：文件是否有被修改，此时有几个进程正在访问该文件等

文件的物理结构（文件的分配方式）

连续分配

外存管理当中，文件的大小也会被划分成一个个大小相等的文件块，文件的逻辑地址也可以表现为（逻辑块号，块内地址），操作系统为文件分配存储空间都是以块为单位进行的

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块，文件目录中记录存放了起始块号和长度

用户给出逻辑块号，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB），物理块号 = 起始块号 + 逻辑块号，

连续分配方式支持顺序访问和随机访问

连续分配方式要求，每个文件在磁盘上占有一组连续的块

`读取某个磁盘块时，需要移动磁头，访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需的时间就越长`

连续分配的文件在顺序读/写时速度最快，但物理上采用连续分配的文件不方便拓展，且存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片（可以用紧凑来解决）

链接分配

采用离散分配的方式，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

隐式链接

目录中记录了文件的起始块号和结束块号，除文件的最后一个磁盘块以外，每个磁盘块都会保留指向下一个盘块的指针，这些指针对用户是透明的。

隐式链式分配只支持顺序访问，不支持随机访问(读入i号逻辑块，总共需要i+1次磁盘操作)，查找效率低，指向下一个盘块的指针也会占据空间，但很方便进行拓展，且不会产生碎片问题，文件利用率很高

显式链接

把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表里（会记录链接关系），即文件分配表

一张磁盘仅设置一张FAT，开机时，将FAT读入内存，并常驻内存（因此查询FAT不需要读磁盘操作），FAT的各个表项在物理上连续存储，且每一个表项的长度相同

采用显式链接，支持随机访问，，且不需要访问磁盘，访问速度会快很多，且不会产生外部碎片

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**。

显式链接分配方式中，FAT是一个磁盘对应一张。而索引分配方式中，索引表是一个文件对应一张表。
####实现从逻辑块到物理块的转化
从目录项中找到索引表的存放位置，将索引表从外存读入内存，并查找索引表中的某个逻辑块号对应的物理块号
（支持随机访问，且容易拓展，但索引表需要占用空间）

对文件过大而导致的磁盘无法装下所有索引表问题的解决方案

1.链接方案：如果文件的索引表过大，可以为索引表分配多个索引块，并将他们链接起来存放。

2.多层索引：建立多层的索引表，使第一层索引块指向第二层索引块，还可以根据文件大小要求再建立第三层，第四层索引块。（FCB中仅存放顶层的索引块号），若采取多层索引，则各层索引表大小不能超过一个磁盘块。

3.混合索引4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），又包含一级简介索引（指向单层索引），还包含两级间接索引（指向两层索引表），对于小文件来说访问磁盘的次数少，对于大文件来说，可以用多级索引合理保存数据。

文件存储空间管理

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）

存储空间的初始化：将各个文件卷划分为目录区（主要存放FCB，用于磁盘存储空间管理的信息）和文件区（存放普通的文件数据）

空闲表法

适用于“连续分配方式”，会生成一个色空闲表，每个开头的空闲盘号对应一个空闲盘块数

分配磁盘块的方式：可采用首次适应，最佳适应，最坏适应等算法进行分配

回收磁盘块，会合并相邻的空闲区

空闲链表法

空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链，每一个盘块中存放着指向下一个盘块的指针，操作系统保存着链头链尾的指针，回收时，回收的盘块一次挂到链尾

空闲盘区链：以盘区（连续的空闲盘块）为单位组成一条空闲链，

位示图法

用每个二进制位对应一个磁盘块（是否已分配），形成一个矩阵表，横坐标为位号，纵坐标为字号，横长为字长

分配方式：若文件需要K个块，顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的空闲块（0），根据字号，位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件。最后将相应位设置为“1”

回收方式：根据回收的盘块好的字号和位号计算出对应的字号，位号；将相应的二进制位设置为0

成组链接法

文件卷的目录区中专门用一个磁盘作为“超级块”，当系统启动时需要将超级块读入内存，并且保证内存与外存中的超级块的数据一致。超级块中每组空闲块号记录了它的子组块号的起始值。

如果没有下一组空闲块，需要设置特殊值

分配方式：检查第一个分组的块数是否足够，如果足够则分配，但如果这个块内存放着下一组的信息，则需要将其中的数据复制到超级块中

文件的基本操作

创建文件

进行create系统调用时需要提供的参数：

• 1.所需外存空间的大小
• 2.文件存放路径
• 3.文件名

系统在处理create系统调用时所做的事情：

• 1.在外存中找到所需空间
• 2.创建该文件对应的目录项

删除文件

进行Delete系统调用时需要提供的参数：

• 1.文件存放路径
• 2.文件名

系统在处理Delete系统调用时所做的事情：

• 1.根据文件存放路径找到对应的目录文件，从目录表中找到文件名对应的目录项
• 2.根据该目录项记录的文件存放的位置，文件大小等信息，回收文件占用的磁盘块
• 3.从目录表中删除文件对应的目录项

打开文件

进行open系统调用时需要提供的参数：

• 1.文件存放路径
• 2.文件名
• 3.要对文件进行的操作类型(r只读，rw读写等)

系统在处理open系统调用时所做的事情：

• 1.根据文件存放路径找到对应的目录文件，从目录表中找到文件名对应的目录项，检查用户是否拥有操作权限
• 2. 将目录项复制到内存中的“打开文件表”中，并将对应表目的的编号返回给用户，之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件（不会重复访问目录，系统（拥有打开计数器）与进程（拥有读写指针和访问权限）各有一张打开文件表）

关闭文件

系统在处理open系统调用时所做的事情：

• 1.将进程文件的打开文件表的相应项删除
• 2. 回收分配给这个文件的内存空间等资源

读文件

进行read系统调用时需要提供的参数：

• 1. 指明文件，可以提供打开文件表中的索引号
• 2.读入多少数据
• 3. 读入的数据放在内存中的位置

系统在处理read系统调用时所做的事情：

• 从读指针指向的外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中

写文件

进行write系统调用时需要提供的参数：

• 1. 指明文件，可以提供打开文件表中的索引号
• 2.写出多少数据
• 3. 写出的数据放在内存中的位置

系统在处理write系统调用时所做的事情：

• 从用户的内存区域中，将指定大小的数据写回用户指针指向的外存

文件共享

硬链接：各个目录项指向同一个索引节点，索引节点中有一个链接计数count，每个用户删除时只删除用户目录项，然后count减一，只有count为0时文件才会真正被删除

软连接（符号链接）：每个link型文件保存了一个共享文件的存放路径（windows的快捷方式），使用软连接会多次产生I/O操作，如果共享文件被删除，link文件虽然存在，但会失效
##文件保护

口令保护

为文件设置一个口令，用户请求访问必须提供"口令"，口令一般存放在文件对应的FCB或索引节点中，访问时操作系统会对用户提供的口令与存放的口令进行对比。

优点：保存和验证的开销少，缺点：保存在内部，不够安全

加密保护

使用密码对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的密码进行解密

优点：保密性强，不需要储存密码；缺点：加密解密会花费时间

访问控制

在每个FCB或索引节点中增加一个访问控制列表，该表记录了各个用户可以对该文件进行那些操作

精简的访问控制表：以组为单位，标记各组（管理员，用户等）可以对文件指向哪些操作

文件系统的结构层次

• 用户接口（提供功能接口（read,write,open等）），
• 文件目录系统（用于访问，查找文件），
• 存取控制系统（保护数据安全，验证访问权限，完成文件保护等功能），
• 逻辑文件系统与文件信息缓冲区（将用户想要访问文件的记录号转化为逻辑地址），
• 物理文件系统（将逻辑地址转化为物理地址），
• 辅助分配模块（负责文件存储空间的管理，即负责分配空间和回收储存空间），
  *（ 设备管理模块（与设备直接进行交互，包括磁盘调度，分配设备，启动设备）