1、计算机操作系统文件管理12第六章第六章 文件管理文件管理文件系统的功能：文件系统的功能：*用户可执行创建、修改、删除读写文件的命令；用户可执行创建、修改、删除读写文件的命令；*用户能以合适的方式构造他的文件；用户能以合适的方式构造他的文件；*用户能在系统的控制下，共享其他用户的文件；用户能在系统的控制下，共享其他用户的文件；*允许用户用符号名访问文件；允许用户用符号名访问文件；*系统应有转存和恢复文件的能力，以防止意外系统应有转存和恢复文件的能力，以防止意外事故的发生；事故的发生；*系统应提供可靠保护及保密措施。系统应提供可靠保护及保密措施。36.1 文件和文件系统文件和文件系统 6.1.1
2、文件、记录和数据项文件、记录和数据项 文件文件：是是由创建者所定义的，由创建者所定义的，具有符号名的一组具有符号名的一组相关联元素的有序序列，相关联元素的有序序列，可分为有结构文件和无结构可分为有结构文件和无结构文件。文件。文件系统文件系统：指负责存取和管理辅助存储器上文件信指负责存取和管理辅助存储器上文件信息的机构息的机构 数据项数据项：用于描述一个对象的某种属性的字符集。用于描述一个对象的某种属性的字符集。记录记录：一组描述一个对象某方面属性的相关数据一组描述一个对象某方面属性的相关数据项的集合。项的集合。4图图 6-1 文件、文件、记录和数据项之间的层次关系记录和数据项之间的层次关系 文
3、件文件记录记录1 1记录记录2 2记录记录n n数据项数据项1 1数据项数据项2 2数据项数据项n n 文件的属性：文件的属性：(1)文件类型文件类型(2)文件长度文件长度(3)物理位置物理位置(4)建立时间建立时间 6.1.1 文件、记录和数据项文件、记录和数据项 56.1.2 文件类型和文件系统模型文件类型和文件系统模型 1、文件类型文件类型 1)按按用途用途分类分类(1)系统文件系统文件(2)用户文件用户文件(3)库文件库文件 2)按文件中按文件中数据的形式数据的形式分类分类(1)源文件源文件(2)目标文件目标文件(3)可执行文件可执行文件 3)按按存取控制属性存取控制属性分类分类(1)
4、只执行文件只执行文件(2)只读文件只读文件(3)读写文件读写文件 4）按按组织形式组织形式分类分类（1）普通文件普通文件（2）目录文件目录文件（3）特殊文件特殊文件62、文件系统模型文件系统模型 图图 6-2 文件系统模型文件系统模型 76.1.3 文件操作文件操作(1)创建文件创建文件(2)删除文件删除文件(3)读文件读文件(4)写文件写文件(5)截断文件截断文件(6)设置文件的读设置文件的读/写位置写位置 1、最基本的文件操作、最基本的文件操作 86.1.3 文件操作文件操作 2、文件的操作功能、文件的操作功能对整体文件而言：对整体文件而言：（1）打开打开（open)（2）关闭关闭（clo
5、se)（3）建立建立 (create)（4）撤消撤消（destory)（5）复制复制（copy)（6）改变文件名改变文件名（rename)（7）显示显示文件内容（文件内容（list)对文件中的数据项而言：对文件中的数据项而言：（1）读读（read）（2）写写（write）（3）修改修改（update）（4）插入插入（Insert）（5）删除删除（delete）96.2 文件的逻辑结构文件的逻辑结构 文件的逻辑结构：文件的逻辑结构：是从用户的观点出发，所观是从用户的观点出发，所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于物理特性。及
6、其结构，它独立于物理特性。文件的物理结构：文件的物理结构：又称为文件的存储结构，是又称为文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式，与存储介质的存指文件在外存上的存储组织形式，与存储介质的存储性能有关。（顺序、链接、索引）储性能有关。（顺序、链接、索引）文件逻辑结构的要求：文件逻辑结构的要求：提高检索效率、便于修提高检索效率、便于修改、降低文件的存储费用。改、降低文件的存储费用。106.2.1 文件逻辑结构的类型文件逻辑结构的类型 1、有结构文件、有结构文件（1）定长记录）定长记录（2）变长记录）变长记录 （a）顺序文件）顺序文件（b）索引文件）索引文件（c）索引顺序文件）索引顺序文件 2
7、、无结构文件、无结构文件 即流式文件，如：即流式文件，如：源程序、源程序、可执行文件、可执行文件、库库函数等，函数等，采用指针来进行读写定位。采用指针来进行读写定位。116.2.2 顺序文件顺序文件指由一系列记录，按某种顺序排列所形成的文件。指由一系列记录，按某种顺序排列所形成的文件。对于顺序文件，知道了当前记录的地址，就能很方对于顺序文件，知道了当前记录的地址，就能很方便放入确定一个要存取记录的地址。便放入确定一个要存取记录的地址。优、缺点：优、缺点：（1）管理简单、顺序存取速度快；）管理简单、顺序存取速度快；（2）修改记录困难、要求连续存储空间；）修改记录困难、要求连续存储空间；（3）必须
8、事先知道文件的长度。）必须事先知道文件的长度。126.2.2 顺序文件顺序文件R0R1R2R3RiLLLLLL2L3L4LL(i1)LRptr(a)定长记录文件L0R0L1R1RiWptr(b)变 长记录文件Li00L0L01L1L0L12Li(Lk1)i1k0(Lk1)ik0图图 6-3 定长和变长记录文件定长和变长记录文件 13 索引文件索引文件为每个文件建立一张索引表，其中每一个表为每个文件建立一张索引表，其中每一个表目指出文件中记录所在的物理块号。目指出文件中记录所在的物理块号。索引式文件组织，便于随机存取文件中的一个记录，索引式文件组织，便于随机存取文件中的一个记录，是随机文件的一种
9、。是随机文件的一种。6.2.3 索引文件索引文件 优、缺点：优、缺点：（1）外存利用率高；）外存利用率高；（2）文件可动态增长，可顺序、直接访问；）文件可动态增长，可顺序、直接访问；（3）访问两次辅存，索引表浪费空间。）访问两次辅存，索引表浪费空间。14索引号0长度 m指针 ptrm01m1imi索引表R0R1Ri逻辑文件图图 6-4 索引文件的组织索引文件的组织 6.2.3 索引文件索引文件 156.2.4 索引顺序文件索引顺序文件 键An QiBao RongChen Lin逻辑地址姓 名An QiAn Kang其它属性Bao Rong逻辑文件图图 6-5 索引顺序文件索引顺序文件 166
10、.2.5 直接文件和哈希文件直接文件和哈希文件 1、直接文件、直接文件 根据给定的记录根据给定的记录键值键值，直接获，直接获得指定记录的物理地址，得指定记录的物理地址，记录键值本记录键值本身就决定了记录的物理地址身就决定了记录的物理地址。2、哈希哈希(Hash)文件文件 图图 6-6 Hash文件的逻辑结构文件的逻辑结构fHash函数目录表键值176.3 外存分配方式外存分配方式 6.3.1 连续分配连续分配 为每个文件分配一组邻接的磁盘块。为每个文件分配一组邻接的磁盘块。优点优点：*顺序访问容易；顺序访问容易；*顺序访问速度较快；顺序访问速度较快；缺点缺点：*要求具有较多的连续存储空间；要求
11、具有较多的连续存储空间；*文件的长度事先确定，不便增长；文件的长度事先确定，不便增长；顺序文件顺序文件186.3.1 连续分配连续分配 图图 6-7 磁盘空间的连续分配磁盘空间的连续分配 filefile startstart lengthlengthcountcount0 02 2trtr14143 3mailmail19196 6listlist28284 4f f6 62 2目目 录录1 12 23 30 05 56 67 74 49 9101011118 81313141415151212171718181919161621212222232320202525262627272424l
12、istlist2929303031312828mailmailcountcounttrtrf f196.3.2 链接分配链接分配 文件存储在由链接指针连接的多个离散的文件存储在由链接指针连接的多个离散的磁盘块中。磁盘块中。优点优点：*消除了外存碎片，提高了外存空间的利用消除了外存碎片，提高了外存空间的利用率；率；链接文件链接文件 *利于文件的动态增长，便于文件的增、删、利于文件的动态增长，便于文件的增、删、修改等操作。修改等操作。206.3.2 链接分配链接分配链接文件链接文件 文件目录中每个目录项（文件目录中每个目录项（FCB）都存放指向都存放指向链接文件的首尾盘块的指针。链接文件的首尾盘块
13、的指针。*利于文件顺序操作，不便于随机访问。利于文件顺序操作，不便于随机访问。1、隐式链接：隐式链接：把用于链接文件各物理块的指针，显示的存把用于链接文件各物理块的指针，显示的存放在一张链接表中；整个磁盘一张，即文件分配表放在一张链接表中；整个磁盘一张，即文件分配表（FAT）。）。*FAT需占用较大内存空间。需占用较大内存空间。2、显示链接：显示链接：216.3.2 链接分配链接分配1、隐式链接隐式链接 图图 6-8 磁盘空间的链接式分配磁盘空间的链接式分配 25251 12 23 30 05 56 67 74 49 9101011118 813131414151512121717181819
14、191616212122222323202025252626272724242929303031312828filefile startstartendendjeepjeep9 92525目目 录录10101 1-1 11616222、显式链接、显式链接 图图 6-9 显式链接结构显式链接结构 6.3.2 链接分配链接分配0 01 12 23 34 45 5物理块号物理块号2 2FCBFCBFATFAT0 04 45 51 123图图 6-10 MS-DOS的文件物理结构的文件物理结构2、显式链接、显式链接 6 6EOFEOF111110105 5EOFEOF0 01 12 23 34 45
15、56 67 78 89 9FATFATFCB AFCB A4 4FCB BFCB B9 9246.3.3 索引分配索引分配 索引文件索引文件 为每个文件分配一个索引块（表），记录该文为每个文件分配一个索引块（表），记录该文件的所有盘块的指针。件的所有盘块的指针。优点优点：*支持直接访问；支持直接访问；*不会产生外部碎片；不会产生外部碎片；*支持多级索引。支持多级索引。（1）单级索引）单级索引（2）多级索引）多级索引（3）混合索引）混合索引25图图 6-12 索引分配方式索引分配方式 1、单级索引分配单级索引分配1 12 23 30 05 56 67 74 49 9101011118 81313
16、1414151512121717181819191616212122222323202025252626272724242929303031312828countcountfilefile块序号块序号jeepjeep1919目目 录录9 916161 1101025251111111919262、多级索引分配多级索引分配图图 6-13 两级索引分配两级索引分配0 01 12 21051051061062542543563563573579859851051051061062542547407403563563573571125112598598536036074074011251125主索引主
17、索引360360第二级索引第二级索引磁盘空间磁盘空间27图图 6-14 混合索引方式混合索引方式 3、混合索引分配方式混合索引分配方式（1）直接地址）直接地址（2）一次间接地址）一次间接地址（3）多次间接地址）多次间接地址 modemodeowners(2)owners(2)time stamps(3)time stamps(3)sizesizeblock countblock counti.addr(0)i.addr(0)i.addr(1)i.addr(1)direct blocksdirect blockssingle indirectsingle indirectdouble indir
18、ectdouble indirecttriple indirecttriple indirectdatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadata286.4 目目 录录 管管 理理 目录管理的要求：目录管理的要求：(1)(1)实现实现“按名存取按名存取”；(2)(2)提高对目录的检索速度；提高对目录的检索速度；(3)(3)文件共享；文件共享；(4)(4)允许文件重名。允许文件重名。296.4.1 文件控制块和索引结点文件控制块和索引结点 1、文件控制块、文件控制块 图图 6-15 MS
19、-DOS的文件控制块的文件控制块 文文件件名名扩扩展展名名属属性性备备用用时时间间日日期期第第一一块块号号盘盘块块数数（1）基本信息类）基本信息类 文件名文件名；文件逻辑结构文件逻辑结构；文件物理位置文件物理位置；文件的物理结构；文件的物理结构；（2）存取控制信息类）存取控制信息类（3）使用信息类）使用信息类 30（1 1）磁盘索引结点）磁盘索引结点 文件主标识符文件主标识符 文件类型文件类型 文件存取权限文件存取权限 文件物理地址文件物理地址 文件长度文件长度 文件连接计数文件连接计数 文件存取时间文件存取时间 2 2、索引结点索引结点（2 2）内存索引结点）内存索引结点 索引结点编号索引结
20、点编号 状态状态 访问计数访问计数 逻辑设备号逻辑设备号 链接指针链接指针316.4.2 目录结构目录结构 1、单级目录结构单级目录结构 文件名文件名物理地址物理地址文件说明文件说明状态位状态位文件名文件名1文件名文件名2（1）查找速度慢查找速度慢（2）不允许重名不允许重名（3）不便于实现文件共享不便于实现文件共享 322、两级目录两级目录 图图 6-18 两级目录结构两级目录结构 用户名用户名WangWangZhangZhangGaoGao指向子目录指针指向子目录指针WangWang用户目录用户目录AlphaAlphaTestTestAlphaAlphaTestTestReportRepor
21、tTestTestZhangZhang用户目录用户目录ReportReportTestTestGaoGao用户目录用户目录BetaBetaDeviceDeviceMisxMisxBetaBetaDeviceDeviceMisxMisx（1）提高了目录检索速度；）提高了目录检索速度；（2）允许文件同名；）允许文件同名；（3）方便文件共享。）方便文件共享。333、多级目录结构、多级目录结构 图图 6-19 多级目录结构多级目录结构 A AB BC CF FE ED D1 13 3A AB BD D2 2G GA A4 4A AC C5 56 67 710101111J JN NK K1212J J
22、M MK K1313A AH HF F141415151616b b17171818191920202121a a8 89 9346.4.3 目录查询技术目录查询技术 1、线性检索法、线性检索法 图图 6-20 查找查找/usr/ast/mbox的步骤的步骤 2、Hash方法方法 356.5 文件存储空间的管理文件存储空间的管理 6.5.1 空闲表法和空闲链表法空闲表法和空闲链表法 1、空闲表法、空闲表法 分配算法：分配算法：*首次适应算法首次适应算法*循环首次适应算法循环首次适应算法*最佳适应算法最佳适应算法*最差适应算法最差适应算法362、空闲链表法：、空闲链表法：（1）空闲盘块链：）空闲
23、盘块链：（2）空闲盘区链：）空闲盘区链：*回收合并算法回收合并算法6.5.1 空闲表法和空闲链表法空闲表法和空闲链表法 371、位示图、位示图 利用二进制的一位来表示磁盘中一个块的使用情利用二进制的一位来表示磁盘中一个块的使用情况。况。0 0：盘块空闲，：盘块空闲，1 1：盘块已分配：盘块已分配 通常位示图可用通常位示图可用 m m*n n 位位数数来构成；也可以用来构成；也可以用二维数组二维数组mapi,jmapi,j来表示。来表示。6.5.2 6.5.2 位示法位示法 382 2、盘块的分配：、盘块的分配：3 3、盘块的回收：、盘块的回收：*扫描位示图，找到扫描位示图，找到“”位：位：ma
24、pi,j=0mapi,j=0*转换成盘块号：转换成盘块号：b=n(i-1)+jb=n(i-1)+j*分配，修改位示图：分配，修改位示图：mapi,j=1mapi,j=1*转换成行号：转换成行号：i=(b-1)DIV n+1i=(b-1)DIV n+1 j=(b-1)MOD n+1 j=(b-1)MOD n+1*回收，修改位示图：回收，修改位示图：mapi,j=0mapi,j=06.5.2 6.5.2 位示法位示法 396.5.3 6.5.3 成组链接法成组链接法 图图 6-23 空闲盘块的成组链接法空闲盘块的成组链接法10010040040039939930130130030010010030
25、030029929920220220120129929910010040040039939920120130130199990 079997999790179017900790078997899780178017999799979017901空闲盘块号空闲盘块号S.freeS.free0 01 19898999940 文件共享与文件保护文件共享与文件保护是文件系统中的一个重要问题，是文件系统中的一个重要问题，共享性共享性与与安全性安全性是一个问题的两方面。是一个问题的两方面。文件共享：文件共享：是指在不同用户之间共同使用某些文件。是指在不同用户之间共同使用某些文件。（1）是完成共同的任务的必需
26、；）是完成共同的任务的必需；（2）能节省大量辅存空间和主存空间；）能节省大量辅存空间和主存空间；（3）减少输入）减少输入/输出操作；输出操作；（4）节省用户的劳动，减少重复开发。）节省用户的劳动，减少重复开发。6.6 文件共享与文件保护文件共享与文件保护41图图 6-24 包含有共享文件的文件系统包含有共享文件的文件系统 6.6.1 基于索引节点的共享方式基于索引节点的共享方式 A AA AB BB BB BB BB BC CC CC CC CC C根目录根目录?C CC CC C42Wang用户文件目录Test rLee用户文件目录Test rcount2文件物理地址索引结点Test图图 6
27、-25 基于索引结点的共享方式基于索引结点的共享方式 6.6.1 基于索引节点的共享方式基于索引节点的共享方式 43图图 6-26 进程进程B链接前后的情况链接前后的情况 C的目录ownerccount1链接前C的目录ownerccount2建立链接后B的目录B的目录ownerccount1拥有者删除文件后6.6.1 基于索引节点的共享方式基于索引节点的共享方式 446.6.2 6.6.2 文件的保护与保密文件的保护与保密保护：保护：是指使文件免遭文件主本人或其他用户由于错误是指使文件免遭文件主本人或其他用户由于错误的操作而使文件受到无意的破坏。的操作而使文件受到无意的破坏。保密：保密：是指文
28、件本身不得被未经文件主同意的用户访问。是指文件本身不得被未经文件主同意的用户访问。影响因素：影响因素：（1）人为因素）人为因素 （2）系统因素）系统因素 （3）自然因素）自然因素安全措施：安全措施：（1）存取控制机制）存取控制机制 （2）系统容错技术）系统容错技术 （3）后备系统）后备系统45分级安全管理：分级安全管理：*系统级安全管理系统级安全管理*用户级安全管理用户级安全管理*目录级安全管理目录级安全管理*文件级安全管理文件级安全管理注册注册登录登录用户权限用户权限目录访问权目录访问权文件属性文件属性46File AttributesAttributeMeaningProtectionWh
29、o can access the file and in what wayPasswordPassword needed to access the fileCreatorID of the person who created the fileOwnerCurrent ownerRead-only flag0 for read/write;1 for read onlyHidden flag0 for normal;1 for do not display in listingsSystem flag0 for normal files;1 for system filesArchive f
30、lag0:has been backed up;1:need to be backed upASCII/binary flag0 for ASCII file;1 for binary fileRandom access flag0 for sequential access only;1 for random access47File AttributesAttributeMeaningTemporary flag0 for normal;1 for delete file on process exitLock flags0 for unlocked;nonzero for lockedR
31、ecord lengthNumber of bytes in a recordKey positionOffset of the key within each recordKey lengthNumber of bytes in the key fieldCreation timeDate and time the file was createdTime of last accessDate and time the file was last accessedTime of last changeData and time the file has last changedCurrent
32、 sizeNumber of bytes in the fileMaximum sizeNumber of bytes the file may grow to486.6.3 磁盘容错技术磁盘容错技术 磁盘容错技术磁盘容错技术是通过增加冗余的磁盘驱动器、是通过增加冗余的磁盘驱动器、磁盘控制器等，来提高磁盘系统的可靠性，也称为磁盘控制器等，来提高磁盘系统的可靠性，也称为系统容错技术（系统容错技术（SFTSFT）。）。1 1、低级磁盘容错技术（、低级磁盘容错技术（SFT-1SFT-1）：）：*双目录双目录*双文件分配表双文件分配表*热修复重定向热修复重定向*写后读校验写后读校验496.6.3 磁盘
33、容错技术磁盘容错技术2 2、中级磁盘容错技术、中级磁盘容错技术(SFT-2SFT-2)：*磁盘镜像磁盘镜像 *磁盘双工磁盘双工 *廉价磁盘冗余阵列廉价磁盘冗余阵列3 3、高级磁盘容错技术、高级磁盘容错技术(SFT-3SFT-3)：*磁带磁带 *硬盘硬盘 *光盘光盘 *后备系统后备系统完全转储方式完全转储方式增量转储方式增量转储方式50图图 6-27 磁盘镜像示意磁盘镜像示意 磁磁盘盘控控制制器器主主机机通道通道磁盘驱动器磁盘驱动器图图 6-28 磁盘双工示意磁盘双工示意 主主机机磁盘磁盘控制器控制器磁盘磁盘控制器控制器通道通道通道通道磁盘驱动器磁盘驱动器516.7 数据一致性控制数据一致性控制 基本概念：基本概念：*数据一致性数据一致性*事务事务*提交、夭折、回滚提交、夭折、回滚*原子性原子性*恢复算法恢复算法*检查点检查点*并发控制并发控制52第六章第六章 文件管理文件管理*了解文件及文件系统的基本概念；了解文件及文件系统的基本概念；*了解文件的逻辑及物理存储结构；了解文件的逻辑及物理存储结构；*掌握文件存储空间管理的常用方法；掌握文件存储空间管理的常用方法；*了解数据一致性的概念，以及控制方式。了解数据一致性的概念，以及控制方式。53本章习题：本章习题：第六章第六章 文件管理文件管理1、4、7、10、13、19、23、30
