第6章 文件管理

第六章文件管理第一节文件和文件系统1 文件和文件系统1.1 文件系统的引入用户使用计算机完成任务时，常遇到以下情况：1 使用现有软件资源协助完成任务。

如调用系统调用和库函数来减少编程工作等。

2 未完成的任务存放在什么地方？需要访问的数据存放在什么地方？其实，这两个情况就是怎样对软件资源（程序和数据）进行透明存放，并能令这些程序和数据召之即来。

早期的计算机系统重，用卡片或纸带存放程序或数据，这种人工方式不能做到信息的透明存取。

磁盘存储器的出现为程序和数据的透明存取提供了条件。

1.2 文件、记录和数据项1.2.1 文件1 概念：文件是具有文件名的一组相关元素的集合。

可能是一组赋名的相关联字符流的集合，或者相关联记录的集合。

2 分类：分为有结构文件和无结构文件两种。

无结构文件（流式文件）：整个被看作一个字符流。

有结构文件：文件由若干个相关记录组成。

3 属性●文件名：通常由ASCII码、汉字组成。

●文件类型●文件长度●文件的物理位置：指示文件在哪个设备上及在该设备的哪个位置的指针。

●文件的建立时间：指最后一次修改时间。

1.2.2 数据项在文件系统中，数据项是最低级的数据组织形式。

分为：基本数据项：即是字段或数据元素。

组合数据项：由若干基本数据项组成。

1.2.3 记录一组相关的数据项的集合。

1.3 文件类型和文件系统模型1.3.1 文件类型按性质用途分类⏹系统文件⏹用户文件⏹库文件按数据形式分⏹源文件⏹目标文件⏹可执行文件按存取控制属性⏹只读文件⏹读写文件⏹只执行文件1.3.2 文件系统模型1 什么是文件系统？是操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构，它是由管理文件所需的数据结构和相应的管理软件以及访问文件的一组操作组成。

从系统的角度看：文件系统是一个负责文件存储空间管理的机构。

从用户的角度看：文件系统是用户在计算机上存储信息、使用信息的接口。

2 文件系统功能是什么？用户角度：实现“按名存取”系统角度：是对文件存储器的存储空间进行组织、分配、负责文件的存储并对存入的文件实施保护、检索的一组软件的集合。

文件系统模型结构图：说明：分为三个层次，最底层是对象及其属性；中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合；最高层是文件系统提供给用户的接口。

中间层又可分为一下四层：逻辑文件系统层：处理文件及记录的相关操作（访问、保护及目录操作）。

基本I/O管理程序层：完成大量与磁盘I/O有关的工作（选择设备，逻辑块号到物理块号的转换，空闲空间管理等）。

基本文件系统层：负责内存与磁盘间的数据块交换（在外存及内存缓冲区的位置）。

I/O控制层：负责启动I/O操作及处理设备发来的中断信号。

1.4 文件操作1 基本文件操作创建文件。

创建新文件时先分配空间，然后建立记录文件属性的目录项。

删除文件。

找到要删除文件的目录项清空，回收存储空间。

读文件。

找到文件目录项，以确定文件在外存的位置。

用读指针操作。

写文件。

先查找目录项，再利用写指针操作。

截断文件。

将无用文件长度置为0，有别于删除文件。

设置文件的读/写位置。

用于设置文件读/写指针的位置，而不是每次都从文件始端读写。

2 文件的打开和关闭操作所谓“打开”，是指系统将指名文件的属性从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号返回给用户。

以后当用户再要求对该文件操作时，便可利用系统所返回的索引号向系统提出操作请求。

此时可直接利用索引号到打开文件表中查找，避免了再次检索。

这样不仅节省大量检索开销而且显著提高操作速度。

当用户不再需要对该文件实施相应的操作时，可利用“关闭”此文件，OS将会把该文件从打开文件表中的表目上删除。

第二节文件的逻辑结构1 文件逻辑结构的类型1有结构的记录式文件文件构成：由一个以上的记录构成。

记录长度：分为定长记录和变长记录。

分类（按记录的组织）：顺序文件索引文件索引顺序文件：上面两种构成方式结合。

2 无结构的流式文件文件构成：由字符流构成。

长度：字节为单位访问：采用读写指针指出下一个要访问的字符。

注：可以把流式文件看作为记录式文件的一个特例。

Unix中所有文件视为流式文件2 顺序文件2.1 逻辑记录的排序文件是记录的集合。

文件中的记录可以是任意顺序的，因此，它可以按照各种不同的顺序进行排列。

一般可归为以下两种情况：1.串结构：各记录之间的顺序与关键字无关。

通常由时间来决定。

2.顺序结构：文件中的所有记录按关键字排列。

可以按关键字的长短或英文字母书须排序。

顺序结构的检索效率更高。

2.2 对顺序文件的读写操作记录为定长的顺序文件如果已知当前记录的逻辑地址，便很容易确定下一个记录的逻辑地址。

例如：读：Rptr=Rptr+L写：Wptr=Wptr+L记录为变长的顺序文件在顺序读或写时的情况相似，但应分别为它们设置读或写指针，在每次读或写完一个记录后，须将指针加上Li。

（Li是刚操作完的记录的长度）2.3 顺序文件的优缺点优⏹顺序存取速度较快（批量存取）。

⏹对定长记录，还可方便实现直接存取。

缺⏹对变长记录，直接存取低效⏹不利于文件的动态增长。

3 索引文件3.1 引入为解决变长记录文件的直接存取低效问题。

3.2 索引文件为变长记录文件建立一张索引表。

优点⏹通过索引表可方便地实现直接存取，具有较快的检索速度。

⏹易于进行文件的增删。

缺点⏹索引表的使用增加了存储费用;⏹索引表的查找策略对文件系统的效率影响很大.注：若索引表很大，可建多级索引4 索引顺序文件4.1引入为解决变长记录文件的直接存取低效且存储费用增加的问题。

4.2索引文件为顺序文件建立一张索引表。

优点⏹通过索引表可方便地实现直接存取，具有较快的检索速度。

⏹易于进行文件的增删。

缺点⏹索引表的查找策略对文件系统的效率影响很大.5 直接文件和哈希文件直接文件：直接文件，则可根据给定的记录键值，直接获得指定记录的物理地址。

换言之，记录键值本身就决定了记录的物理地址，组织直接文件的关键，在于用什么方法进行从记录值到物理地址的转换。

哈希文件：利用Hash函数（或称为散列函数），可将记录键值转换为相应记录的地址。

但为了能实现文件存储空间的动态分配，通常由Hash函数所求得的并非是相应记录的地址，而是指向一目录表相应表目的指针，该表目的内容指向相应记录所在的物理块，第三节文件的外存分配方式1 引言用户对不同的文件采用不同的存储方式，以便于对文件进行各种操作。

因此，如何有效利用外存空间和如何提高对文件的访问速度？是这讲的主要内容2 文件物理结构物理块：一个文件存储介质，格式化后就分成许多大小相等的单位－－存储块（物理盘块），在现代计算机系统中，一般来说，每个物理块是一个磁盘的扇区，512字节。

并给每个存储块有个编号，称为物理块号。

逻辑块：一般把文件信息也划分成与物理块大小相等的逻辑块。

文件的物理结构：是指文件在存储设备上的存放方式。

因文件的物理结构和外存分配方式直接有关，因此主要的三种分配形式分别形成不同的文件物理结构：连续分配形成连续文件结构形成连续文件链接分配形成链接文件结构形成链接文件索引分配分别对形成索引文件结构形成索引文件。

1 连续分配连续分配方式：是把一个在逻辑上连续的文件信息顺序的存放在各邻接的物理块中。

优点：速度快，节省空间。

缺点：长度变化困难。

不利于文件动态扩充。

存在外部碎片。

说明：该方式可把逻辑文件中的记录，顺序的存储到邻接的各物理块中，这样所形成的文件结构称为顺序文件结构，此时的物理文件称为顺序文件。

这种分配方式保证了逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序的一致性。

随着文件的建立与删除不断进行，将产生很多外碎片，利用紧凑方法也可消除碎片。

适用于：变化不大的顺序访问的文件U NIX系统：仍保留了连续文件结构。

2 链接分配2.1 概述链接分配是一种离散分配方式，可将文件装到多个离散的盘块中，可通过在每个盘块上的链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表。

这样形成的物理文件就是链接文件。

链接方式分为：隐式链接、显式链接磁盘空间的链接式分配：如图2.2 隐式链接说明：●一个串联文件结构是按顺序由串联的块组成的，即文件的信息按存于若干块中。

●每个物理块的最末一个字(或第一个字)作为链接字，它指出后继块的物理地址。

链首指针存放在该文件目录中。

文件的结尾块的指针为“∧”。

●这种文件结构不要求连续存放。

●对于记录式文件一块中可包含一个逻辑记录或多个逻辑记录，也可以若干物理块包含一个逻辑记录。

隐式链接块如图：链接文件结构图如下：优点：1、无外部碎片，没有磁盘空间浪费2、无需事先知道文件大小。

文件动态增长时，可动态分配空闲块。

对文件的增、删、改十分方便。

缺点：1、不能支持高效随机/直接访问，仅对顺序存取特有效。

2、需为指针分配空间。

3、可靠性较低（指针丢失/损害）2.3 显式链接DOS、WINDOWS系统就采用了显式结构。

概念：是指把用于链接文件各物理块的指针，显示地存放在内存的一张连接表中。

该表在整个磁盘就一张。

此表就是文件分配表⏹用于链接文件各物理块的链接指针，显式地存放在内存的一张链接表中。

⏹该表在整个磁盘仅设置一张。

⏹表序号为整个磁盘的物理块号（0---(n-1)），n是盘块总数。

⏹表项存入链接指针，即下一个块号。

⏹文件的首块号存入相应文件的FCB中。

⏹查找在内存的FAT中，故提高了检索速度，同时又减少磁盘的访问次数。

⏹被MS-DOS、OS/2、Windows采用。

见课本图6-93 索引分配3.1 引言事实上，在打开某个文件时，只需把该文件占用的盘块的编号调入内存即可，完全没有必要调入整个FAT。

为此应将每个文件所对应的盘块号集中在一起。

索引分配方法：就是基于上述想法所形成的一种分配方法。

它为每个文件分配一个索引块（表），再把分配给该文件的所有盘块号，都记录在该索引块中，因而该索引块就是一个含有许多盘块号的数组。

在建立一个文件时，便须在为之建立的文件目录项中填上指向该索引块（表）的指针。

索引表：索引结构要求为每个文件建立一个索引表，表中每个表目包括：逻辑块号，物理块号。

索引表位置：文件目录中，文件的开头等。

3.2 单级索引分配只有一级索引的分配方式。

3.3 多极索引分配当OS为一个大文件分配磁盘空间时，如果所分配出去的盘块的盘块号已经装满一个索引块时，OS便为该文件分配另一个索引块，用于将以后继续为之分配的盘块号记录于其中。

以此类推，再通过链指针将各索引按序链接起来。

显然当文件太大时索引块太多，此方法低效。

此时应为索引块再建立一级索引，这样便形成了两级索引分配方式。

如果文件非常大时，还可用三级四级索引方式。

如图3.4 混合索引分配方式混合索引分配方式：是指将多种索引分配方式结合而形成的一种分配方式。

UNIX（每个块4K字节）如下图当文件<40K时，10个直接地址；当文件<4M+40K时，一次间接（假定每个盘块号占4个字节）；当文件<4G+4M+40K时，二次间接；当文件<4T+4G+4M+40K时，三次间接；优点：既适应于顺序访问，也适应于随机访问。