目录管理

                                                   目录管理

1. 对文件实施有效的管理，必须对它们加以妥善组织，主要是两大操作：
   1. 基本信息记录(FCB,目录项)
   2. 方便检索、管理（目录操作）
2. 目录管理的要求如下：
   1. 实现“按名存取”；（最基本功能）
   2. 提高对目录的检索速度；
   3. 文件共享；
   4. 允许文件重名。

文件控制块—FCB：

为了能对一个文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块”（FCB）

文件与文件控制块一一对应

记录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息。

文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各种操作。

把文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个目录项。通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件。

 

1）FCB内容

在文件控制块中，通常含有以下三类信息。

1. 基本信息类

包括文件名，文件物理位置，文件逻辑结构，文件的物理结构。

1. 存取控制信息类

包括文件主的存取权限，核准用户的存取权限和一般用户的存取权限。

1. 使用信息类

建立日期和时间、文件上次修改的日期和时间

当前使用信息：打开该文件的进程数、是否被进程锁住、是否已修改等。

（对于连续文件：文件起始块号；

对于链接文件：指向第一个物理块的指针；

对于索引文件：索引表地址。）

 

关于文件检索的速度：

文件FCB组成的“目录”文件存放于磁盘；需要时，要从磁盘将目录内容调入内存进行检索和使用。

2）索引结点

索引结点由外存到内存的过程中有不同的形式：

磁盘索引结点

存放在磁盘上的索引结点。主要包括以下内容：文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间。

内存索引结点

文件被打开后，将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中以便使用。比磁盘索引结点增加了以下内容：索引结点编号、状态、访问计数、文件所属文件系统的逻辑设备号、链接指针。

 

３） 目录结构

目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度，也关系到文件的共享性和安全性。

组织好文件的目录，是设计好文件系统的重要环节。

目前常用的目录结构形式有

单级目录

两级目录

多级目录

①单级目录结构（Single-Level Directory）

最简单的目录结构。

整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一个目录项，含有文件相关信息。

每建立一个新文件：

先检索所有的目录项，保证文件名唯一。

获得一空白目录项，填入相关信息，修改状态位（表明每个目录项是否空闲）。

删除一个文件：

找到对应目录项，回收文件所占用空间

清除目录项

优点：简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。

缺点：

文件检索时需搜遍整个目录文件，范围大速度慢。

不允许重名。名字过多难于记忆，对于多用户环境重名难以避免。

不便于实现文件共享（因为不能重名，不同用户使用的共享文件必须不同名字，标识哪些用户共享文件也不方便），一般只适用单机环境。

②两级目录结构（ Two-Level Directory ）

为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，UFD由用户所有文件的文件控制块组成。

系统建立一个主文件目录MFD， MFD中每个用户目录文件都占有一个目录项，其中包括用户名和指向UFD的指针。

两级目录的特点

基本克服了单级目录的缺点，并具有以下优点：

1. 1. 提高了检索目录的速度。
   2. 在不同的目录中可重名。
   3. 不同用户还可以使用相同/不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。

不提供子目录操作，还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作。

③多级目录结构

适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like)

在文件数目较多时，便于系统和用户将文件分散管理。

层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等

但目录级别太多时也会增加路径检索层次，增加磁盘访问时间。

相关名词：

目录结构

主目录称为根目录，数据文件为树叶，其它目录为结点。多级目录缩小检索范围提高检索速度和文件系统的性能。

路径名

从根目录到任何数据文件都只有一条唯一通路。目录文件名和数据文件名依次用“/”连接起来，即构成数据文件的路径名。

当前目录

为每个进程设置一个“当前目录”，又称“工作目录”。

从当前目录开始，逐级经过中间的目录文件，最后达到要访问的数据文件。这一路径上的目录和数据文件名用“/”连接成路径名，称为相对路径名。

从根开始的路径名称为绝对路径名

4）目录查询技术

目录查询方式：线性检索法和Hash方法。

用户要访问一个已存文件

目录数据调入内存；

按名检索：系统利用提供的文件名对目录(根据目录层次，需要做的检索次数也不同)进行查询

找该文件控制块

读FCB或对应索引结点；

从文件物理地址换算出文件在磁盘上的物理位置；

最后通过磁盘驱动程序，将所需文件读入内存。

 

线性检索法：（又称为顺序检索法）

单级目录中

用户提供文件名，顺序查找文件目录。

树型目录中

用户提供路径名，如/user/ast/mbox

对多级目录进行逐层查找。

*Hash方法

曾介绍的Hash文件。

如果建立了一张Hash索引文件目录，便可利用Hash方法进行查询

系统将用户提供的文件名变换为文件目录的索引值，再利用该索引值到目录中去查找，将显著的提高检索速度。

对于使用通配符的文件名系统无法利用Hash法检索目录，还是需用线性查找法。

6、文件共享与保护

1）文件共享

多个用户共享一份文件，只保留文件的一份副本，节约存储空间

共享范围：单机系统/多主机系统/网络范围

20世纪六七十年代，出现了若干文件早期共享方法，绕弯路法、连访法等，逐渐发展为现代一些共享方式

索引结点

符号链

①索引结点法

基本FCB法：

名+详细信息。

直接在文件目录中包含文件的物理地址，该方法实现的共享不适用文件动态变化。一个用户对文件的修改（如物理块号增加），对其他用户不可见，共享文件的FCB信息记录同步更新困难。

文件名+索引结点指针。

一个用户修改指针指向地址里的内容，指针不变，其他用户通过指针总能感知索引结点中的最新内容

索引结点中增加count计数

主人删除操作问题：

删，共享用户访问错误；不删，计费问题。

 

②符号链法

创建一个link类型的文件：“文件名+共享文件路径”（类似快捷方式）

文件主人删除文件，共享者只会出现找不到文件错误。不会发生共享文件删除后出现悬空指针的情况。

该方法适用于网络文件共享，但根据路径检索共享文件的目标位置增加了访问开销，link文件独占索引结点也耗费一定的空间。

无论哪种共享，链接就对应一个文件，如果遍历复制整个目录内的文件，可能会从多条路径对共享文件进行多次访问

 

2）磁盘容错

防止磁盘故障造成的文件不安全

1.SFT I:磁盘表面故障

双目录、双文件分配表（空间冗余）

写后读校验、热修复重定向（时间操作冗余）

写入磁盘后再读回内存做一致性校验

热修复写过程：从坏道重定向到专区并记录

2.SFT II：磁盘驱动器、控制器故障

驱动器故障：磁盘镜像

控制器故障：磁盘双工——并行控制器，分离搜索加快读取

 

3.SFT III：高级容错技术

双机热备份

双机互备份

公用磁盘模式

*数据一致性

1.一个数据分别存储到多个文件中，典型的如数据库

2.保证数据一致性：

       高可靠存储器（冗余保证稳定，磁盘双工）+ 一致性软件

3.概念：

事务：对数据各处保存位置访问、修改使其维持一致性的一次操作。

事务记录：记录事务运行时数据项修改全部信息的数据结构：事务名、数据项名、旧值、新值。

恢复算法：利用事务记录表处理已完成、未完成事务。

检查点：每隔一段时间，将内存中的事务记录表、已修改数据、检查点输出到稳定存储器，

4.并发控制

5.重复数据的一致性

 

要点问答：

1.存放在磁盘上的文件访问顺序如何：既可随机访问，又可顺序访问。

2.操作系统中对信息进行管理的部分叫：文件系统。

3.文件系统是：文件、管理文件的软件及数据结构的总体。

4.从用户角度看，文件系统的主要目的是：实现对文件的按名存取。

5.按文件的逻辑结构将文件分为两大类：记录式文件和流式文件。

6.为了解决不同用户的文件“命名冲突”问题，通常在文件系统中采用：多级目录结构。

7.按物理结构划分，文件主要有三类：顺序文件、链接文件、索引文件。

8.操作系统实现按名存取的关键在于：解决文件名与文件存储地址的转换。