操作系统第九章文件系统课件

2. 文件系统的功能
（1）从用户的角度看
文件系统如何呈现在其面前：一个文件有什么组 成，如何命名，如何保护文件，可以进行何种操作等 等。
文件系统是用户在计算机上存储信息和使用信息 的接口，实现了“按名存取”的功能。
（2）从系统的角度看 文件目录怎样实现，怎样管理存储空间，文件存储位置，
磁盘实际运作方式(与设备管理的接口)等等。 文件系统是一个负责文件存储空间管理的机构，主要功
好处：提供很大的灵活性
UNIX、DOS、WINDOWS系统中的普通文件都是流式文 件。
2. 记录式文件
一种结构式文件，逻辑上总被看成一组连续顺序的记录的 集合. 每个记录由彼此相关的域构成。每个记录有一个键， 可按键进行查找。
文件中所有记录的长度都相同的文件称为定长记录文件。
定长记录文件的长度 = 记录个数×记录长度 变长记录文件的长度为各记录长度之和。
n = read(fd,buffer,size); m = write(fd,buffer,size); 从当前位置开始读（或写），执行顺序存取操作。 leek(fd,offset,mode) 调整文件的读写起始位置的系统调用，若在read、write之 前执行leek操作，就调整了文件的读写指针（读写开始的 位置），实现了随机存取。
（2）研究文件物理结构的目的 选择工作性能良好、设备利用率高的物理文件形式。 系统按照文件的物理结构形式和外部设备打交道，控
制信息的传输。
4. 逻辑记录与物理记录（磁盘块）
（1）逻辑记录 逻辑记录是文件中按信息在逻辑上的独立含义来划分
的信息单位。 逻辑记录是对文件进行存取操作的基本单位。
（2）物理记录 在存储介质上，由连续信息所组成的一个区域称为块，
文件A 目录项
文件A
3
100
磁盘块号 100 101 102
R0 R1 R2
文件目录 在连续文件结构下，当要存取Ri记录时，应如何操作？
3. 连续文件的特点
优点：
结构简单，实现容易，不需要额外的空间开销 支持顺序存取和随机存取，顺序存取速度快 连续存取时速度较快
不同的操作系统对文件名的字符长度限制可能不同。 不同的操作系统对文件名的英文字母的大小写处理可能不同。
（2）文件扩展名
文件扩展名表示了文件的使用特征。 不大于3个字符，一般用来表示文件的类型。
例如：
C
C语言源程序文件
COM
可执行文件（小模式）
EXE
可执行文件（大模式）
BAT
批处理文件
OBJ
例如:学生登记表文件 xsdjb.dbf 姓名 学号 籍贯 通信地址
李铭 925678 武昌 武昌关山街125号 司马乐 925679 北京 北京海军路88号
邮政编码 430074 100034
3、两种文件的比较
流式文件就象给一张白纸给用户，用户可将他的信息 任意地写到纸上，没有任何格式上的限制。
3. 文件名与属性
（1）文件名 根据文件的定义，每个文件必须有一个唯一的文件
名，用户使用文件名存取文件。系统使用文件内部标识 符管理文件。 文件名是一个有限长度的字符串。
DOS、WINDOWS系统中文件名： 文件名.[文件扩展名]
文件名是一个不大于8个字符的字符串，但WINDOWS 系统中允许超长文件名，最多可有256个字符，不区分 英文字母的大小写。
多种文件访问权限：在多用户系统中的不同用户对同一文 件会有不同的访问权限
优化性能：存储效率、检索性能、读写性能 差错恢复：能够验证文件的正确性，并具有一定的差错恢
复能力
1. 什么是文件
文件是在逻辑上具有完整意义的信息集合。 它有一个名字以供标识。文件名是以字母开头的 字母数字串。
构成文件的基本单位——信息项 记录
能包括： 统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收 实现文件的按名存取
实现名字空间向存储空间的映射 实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措施
向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作 命令，以及提供对文件的操作命令：信息存取、加工等）
系统维护及向用户提供有关信息 提供与I/O的统一接口
例如，li.c，UNIX系统认为这个文件名的长度是4个字 符。而在DOS、WINDOWS系统中则解释这个文件名， li是文件名，c是文件扩展名，表示该文件是一个C语言 的源程序文件，而.是文件名和文件扩展名的分隔符。
（3）文件属性
文件属性反映文件的类型、类别、存取控制、保护 级别等信息。
UNIX系统中文件属性：
文件是具有符号名的信息（数据）项的集合 文件是具有符号名的记录的集合
文件的组成：
文件体：文件本身的信息 文件说明：文件存储和管理信息，如文件名、文件内
部标识、文件存储地址、访问权限、访问时间等
2. 文件分类
（1）按文件的性质和用途分类 系统文件：有关OS及有关系统所组成文件，通过 操作系统调用为用户服务。 程序库文件：标准子程序及常用应用程序组成文 件，允许用户使用但不能修改 用户文件：
（6）用户对外存的要求
用户对外存的使用：读写外存数据 用户对外存的要求：方便、效率、安全
在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻辑地址和逻辑 操作
存取速度尽可能快，容量大且空间利用率高 外存上存放的信息安全可靠，防止来自硬件的故障和
他人的侵权 可以方便地共享，动态扩缩，携带拆卸，了解存储情
第九章 文件系统
（一）文件系统的基本概念 （二）文件的逻辑结构与存取方法 （三）文件的物理结构 （四）文件目录结构 （五）文件的共享与保护 （六）文件操作
（一）文件系统的基本概念
一. 文件 信息是计算机系统中的重要资源 所有的计算机应用程序都要：存储信息，检索信息 三个基本要求： 存储大量的信息; 长期保存信息; 可以共享信息
文件。它研究的侧重点是选择一些工作性能良好、设 备利用率高的物理文件形式。系统将按照这种形式同 外部设备打交道并控制信息的传输。
2. 文件的逻辑结构
（1）什么是文件的逻辑结构 从用户角度看到的文件面貌，是用户思维中文件结构，
即用户对信息进行逻辑组织形成的文件结构，独立于外存 上的物理存储。
（2）研究文件逻辑结构的目的 为用户提供一种逻辑结构清晰、使用简便的逻辑文件形式 用户按文件的逻辑结构存储、检索和加工文件中的信息
况和使用情况 以尽可能小的代价完成上述要求
（三）文件的物理结构
文件的物理结构描述了文件在辅存上的安置、链 接和编目的方法。 常用的文件物理结构：
连续文件结构、串联文件结构和索引结构
一. 连续文件结构 1. 什么是连续文件结构
连续文件结构是由一组分配在磁盘连续区域的 物理块组成。
2. 连续文件结构
文件系统
外部存储器
（二） 文件的逻辑组织与存取方法
一. 文件的两种结构 1. 两种不同的观点
用户观点: 是研究用户“思维”中的抽象文件，或称逻辑文件，
其研究的侧重点在于为用户提供一种逻辑结构清晰、 使用简便的逻辑文件形式。用户将按照这种形式去存 储、检索和加工有关文件中的信息。
实现观点: 是研究驻留在设备“介质”中的实际文件，或称物理
也叫物理记录。
（3）逻辑记录与物理记录的区别和关系 一个是逻辑的概念。一个是物理的概念。逻辑记录最
终在存放到物理记录上。

二. 文件的逻辑结构
文件的逻辑结构： 结构文件－－记录式文件 无结构文件－－流式文件
1. 流式文件 有逻辑意义的一串有序字符的集合，是无结构的。
流式文件按信息的个数或以特殊字符为界进行存取， 构成文件的基本单位是字符，文件的长度为所含字符数。
（3）磁盘 直接（随机）存取设备：
存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所 处的位置
扇区 柱面
磁臂 磁头
信息记录在磁道上，多个盘片，正反两面都用来 记录信息，每面一个磁头； 所有盘面中处于同一磁道 号上的所有磁道组成一个柱面。
物理地址形式：
磁头号（盘面号）
磁道号（柱面号）
扇区号
磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成，实际 存取读写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机 要求完成的 一次访盘请求：
（3） 文件系统的特点
使用简单 使用文件名、一组文件操作命令
安全可靠 提供防护措施，在文件遭受破坏时，能及时复原。
既能共享，又能保密 身份验证，存取权限验证。
（4）文件系统的结构
应用程序
多种文件类型 （划分记录，顺序或索引等） 基本I/O 管理（I/O 缓存和调度，性能优化）
物理I/O （基本文件系统）
解决方法：把信息以一种单元，即文件的形式存储在磁盘或其他外部
介质上；通过操作系统来管理文件，包括文件的结构，命名，存 取，使用，保护和实现方法
文件管理的目的
方便的文件访问和控制：以符号名称作为文件标识，便于 用户使用
并发文件访问和控制：在多道系统中支持对文件的并发访 问和控制
统一的用户接口：在不同设备上提供同样的接口，方便用 户操作和编程
文件逻辑结构的设计要求：
访问性能：便于检索；便于修改 存储性能：向物理存储转换方便，节省空间
3. 文件的物理结构
（1）什么是文件的物理结构 文件在存储介质上的结构（或称组织）。在当代，
文件的存储介质是磁盘，包括软盘、硬盘和光盘、磁带， 早期还有磁鼓。由于目前的磁带是模拟磁盘的结构，所 以文件的物理结构主要是指磁盘上文件的结构。
读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇 区号），内存地址（源/目）
完成过程由三个动作组成： 寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道 旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过 数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传
输
硬盘又分为两种： 固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头，变换磁道时不
（2）按信息保存期限分类
临时文件
永久文件
档案文件
（3）按保护级别分类 不保护文件 只读文件
执行文件 读写文件
（4）按文件流向分类 输入文件 输入输出文件
输出文件
（5）按文件的逻辑结构分类 流式文件 记录式文件
（6）按文件的物理结构分类 顺序（连续）文件 链接文件
索引文件
（7）UNIX系统将文件分为三类 普通文件：无结构的字符文件 目录文件：由文件的目录项组成的文件 特殊文件：设备文件
四. 存储介质
磁盘，磁带，光盘
（1）物理块 在文件系统中，文件的存储设备常常划分为若干大小相 等的物理块。同时也将文件信息划分成相同大小的逻辑 块（块）（通常为512字节），所有块统一编号 以块为单位进行信息的存储、传输、分配。
（2）磁带 永久保存大容量数据 顺序存取设备：前面的物理块被存取访问之后，才能存 取后续的物理块的内容 存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储不经常用的 信息，或用于传递数据的介质
需要磁头的机械移动，速度快但成本高 移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变换磁道时需
要移动磁头，速度慢但成本低
（4）光盘 光盘容量大，速度快，价格便宜，但一般不可写 可读写光盘驱动器价格贵，写过程很麻烦 光盘的空间结构与磁盘类似
（5）外存的特点 容量大，断电后仍可保存信息，速度较慢，成本较低 由两部分组成：驱动部分+存储介质 种类很多 外存空间组织与地址与存取方式非常复杂 I/O过程方式非常复杂
－ 普通文件
d
目录文件
p
管道文件
c
字符型设备文件
b
块设备文件
二. 文件系统
1. 什么是文件系统
文件系统的功能就是提供高效、快速和方便的 信息存储和访问功能
文件系统是操作系统中负责管理和存取文件信息的软 件机构，包括：
管理文件所需的数据结构（如目录表、文件控制 块、存储分配表）
管理程序 一组操作
目标文件
hust.txt ll.c ll.obj ll.exe
操作系统.ppt
UNIX系统中的文件名： 文件名是一个不大于14个字符的字符串。并且区分英文 字母的大小写。 例如： ll.c a .out aa AA 注意：UNIX系统中文件名就是一个字符串，没有文件 名和文件扩展名之分，文件的类型由用户命名时确定。
记录式文件就象给一张表格给用户，用户要按表规定 的格式填信息。
显然，结构式文件对用户的限制很大，使用起来就不 方便，所以记录式文件被淘汰是理所当然的。
三. 文件的存取方法
1. 顺序存取
后一次存取总在前次存取的基础上进行。每次存取不必给 出存取开始的位置。
2. 随机存取
用户以任意次序请求某个记录。每次存取操作都要指定存 取操作的开始位置。在系统中提供文件存取操作有：