计算机操作系统ch08

计算机操作系统
Operating System of Computer
第八章 文件系统

主要内容：
文件和文件系统 文件逻辑结构
目录管理
文件共享 文件保护

知识点及要求：
掌握文件系统的基本概念和实现过程。要求
掌握文件的逻辑结构。 掌握文件目录 。 了解文件系统的概念、文件的使用、文件系 统的层次模型。
工文件。 例如用户可将文件看作字节的集合。 或者用户将文件看作记录的集合。

实现的观点（文件的物理结构）： 主要研究驻留在存储介质上的文件 的结构。 文件的物理结构：文件的各个字节 在存储介质上是如何摆放的。

8.2.2 文件的逻辑结构
1.文件的逻辑结构
流式文件：基本信息单位是字节或字，
在现代计算机操作系统中，为方便 用户，把设备也作为文件来统一管理， 从某种意义上说已拓宽了文件的含义。
一般情况下，一个文件是一名是一个字符串。
2.文件的分类
1）以文件的用途分类 系统文件 : 指用操作系统的执行程序和 数据组成的文件，这种文件不对用户开 放，仅供系统使用。 库文件：是指系统为用户提供的各种标 准函数，标准过程和实用程序等。用户 只能使用这些文件，而无权对其进行修 改。 用户文件: 由用户的信息组成的文件，如 源程序文件，数据文件等。这种文件的 使用和修改权均属于用户。
信息项信息项 ……... 信息项 ……... 信息项
读写指针
这两种解释定义了两种文件形式： 前者说明文件是由字节组成，这是一种无结 构的文件，或称流式文件。目前UNIX操作系 统，MS-DOS系统均采用这种文件形式。 后者说明文件是由记录组成。而记录则是由 一组相关信息项组成。例如每个学生的登记 表可视为一个记录，它包括学生姓名，出生 年月，性别，籍贯等信息项。所有学生登记 表组成一个学生文件。
2）从按文件的操作保护分类 只读文件: 只允许进行读操作。 读写文件: 允许进行读写操作。 不保护文件: 不作任何操作限制。 3）按文件的性质分类 普通文件 : 指一般的用户文件和系统文件。 目录文件: 指由文件目录项组成的文件。 特别文件 : 有的系统把设备作为文件统一 管理和使用，并为区别起见，把设备称为 特别文件。 UNIX操作系统把文件分成普通文件、目录文 件和特别文件。
在这种结构中把根目录称为根结 点，把各级目录文件称中间结点 ，用方框表示。数据文件称为叶 结点，用圆圈表示。
示意图
路径名
在多级目录结构中一个文件的唯一标识 不再是文件名，而是从根结点开始，经过一 个或多个中间结点，到达某个叶结点的一条 路径。称这条路径为文件的路径名，它是文 件的唯一标识。 路径名由根目录和所经过的目录名和文 件名以及分隔符组成，通常使用分隔符 /。 例如/d1/f1， /d2/d5/f3， /f7
优缺点
优点： 提高了磁盘空间利用率,不存在外 部碎片问题 有利于文件插入和删除 有利于文件动态扩充 缺点： 存取速度慢，不适于随机存取 链接指针占用一定的空间 可靠性问题，如指针出错
链接结构的变形
文件分配表(FAT)

将盘块中的链接字按盘块号的顺序 集中起来，构成盘文件映射表 / 文 件分配表 。利用 FAT 可方便地进行 随机存取。
图示
FAT 也要占用一定的存储空间， 若盘的容量较大，也可能占用较多 的存储空间。在进行文件访问时， 可能在内存中装不下整个 FAT ，这 样就会造成若要读某块文件信息时， 还要读盘块映射表的操作，影响使 用效率。
FAT的实例
在MS-DOS和Windows系统中，文件
的物理结构使用的是FAT结构。 将磁盘空间划分为块，每块大小为扇 区的整数倍。在FAT文件系统中块称 为簇。
28
24
优点
简单
支持顺序存取和随机存取
顺序存取速度快
所需的磁盘寻道次数和寻道时间
最少
缺点
文件不易动态增长
预留空间:浪费 重新分配和移动 不利于文件插入和删除 外部碎片问题 存储压缩技术
2.链接结构
这是一种非连续的结构，存放文 件信息的每一物理块中有一个指针， 指向下一个物理块，这个指针的长度 由物理设备的容量决定，通常放在该 物理块的开头或结尾。


文件控制块（FCB）：文件控制块是操作系统为 管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文 件所需的所有有关信息。 文件控制块是文件存在的标志 FCB就是目录表中的一个目录项 文件控制块的内容：文件名，文件号，用户名， 文件地址，文件长度，文件类型，文件属性， 共享计数，文件的建立日期，保存期限，最后 修改日期，最后访问日期，口令，文件逻辑结 构，文件物理结构等。


相对流式文件而言，记录式文件 的使用不很方便，尤其是变长记录文 件。另外在文件中还要有说明记录长 度的信息，这就浪费了一部分存储空 间。
因此许多现代计算机操作系统如 UNIX操作系统等都取消了记录式文件。
2.文件的存取方法
顺序存取 文件存取最简单的方法是顺序存取， 即严格按文件信息单位排列的顺序依次 存取。 当打开文件时，文件的存取指针指向 第一个信息单位，如第一个字节或第一 个记录，每存取一个信息单位存取指针 加1指向下一个信息单位，如此类推。
3.文件属性

用一组信息指定文件的类型、操作特 性和存取保护等，把这组信息称为文 件的属性。文件的属性一般存放在文 件的目录项中。 例如MS-DOS系统中，文件属性占目 录项的一个字节，在这个字节中，01 表示文件仅读，02表示隐含文件等。

8.1.3 文件系统
操作系统中负责管理文件的机构
称为文件系统。也有的文献上叫 信息系统。
文件系统负责文件的创立、撤消、
读写、修改、复制和存取控制等， 并管理存放文件的各种资源。
8.2 文件结构
8.2.1 概述
研究文件结构有两种观点： 用户的观点（文件的逻辑结构）：主 要研究用户思维中的抽象文件，为用 户提供一种逻辑结构清晰、使用简便 的逻辑文件。
用户将按这种形式去存取、检索和加

随机存取 也称直接存取，每次存取操作时必须先确定 存取的位置。 对流式文件或定长记录的文件比较容易确定 存取位置。 对不定长的记录式文件比较麻烦。当然可从 第一个记录开始顺序查询，直到找到要存取的 记录为止，显然这样做是低效的。 解决的方法是建立索引。文件的索引可以作 为文件的一部分，也可以单独建立索引文件。

8.2.3 文件的物理结构
文件的物理结构是指文件在物理存储 介质上的结构。

连续结构 链接结构 索引结构
1.连续结构



一个文件的全部信息存放在外存的一片连续 编号的物理块中，这种结构称为连续结构， 或称连续文件。 存放在磁带上的文件一般采用连续结构，即 序号为 I+1 的物理块一定在 i 物理块之后。 而存放在磁盘上的文件则可采用连续结构， 也可采用别的结构。 建立连续文件时要求用户给出文件的最大长 度，以便系统为文件分配足够的存储空间， 并在相应表格中登记文件的起始位置和长度。
文件名
C bsc Wps ……
文件的物理 位置
日期
时间
其他信 息
优缺点
优点：简单，易实现 缺点：
限制了用户对文件的命名(重名问题) 文件平均检索时间长 限制了对文件的共享
2.二级目录结构
二级文件目录结构把目录分成主目
录和用户文件目录两级。
主目录由用户名和用户文件目录首
地址组成，用户文件目录中登记相 应的用户文件的目录项。
一个磁盘分区能分为多少簇则FAT就
有多少表项。
思考




什么叫FAT16、FAT32？ 在FAT16中一簇最大64个扇区，为什么 FAT16能管理的磁盘分区为2G？ FAT32同FAT16相比有什么优点？
对于FAT16文件系统，若一个磁盘分区的 大小为512M，问一个簇最少要为多少个扇 区？ 簇是大点好，还是小点好？
8.1 文件和文件系统
8.1.1 引言
在早期计算机系统中，人们直接用 物理地址存放信息。存放信息时，要求
用户指出并记住信息存放在哪个设备的
哪些磁道、哪些扇区上。 在多用户的环境中这几乎是不可能 的，更是不能忍受的。
实际上对用户来说，关心的不是 信息的具体存放位置，而是存取方法 的方便、可靠。不是信息的物理结构 而是信息的逻辑结构。
文件目录 文件名
0 4 1 10 2 5 6 3 7
始址 9
末址 25
jeep
8
12
9 16 10 25 11
13 14 18 15 19
16 1 17
20
24 28
21
22
23
27 31
25 -1 26 29 30
链接结构的文件适用于顺序存取 。因为要获得某一块的块号，必 须读取上一物理块，因此要随机 地存取信息就较为困难。
较好地解决了重名的问题。 缺点：缺乏灵活性，特别是不能反映 现实世界中多层次的关系。 为此人们提出了多级目录结构，其 中MULTICS及UNIX系统均采用了多级 目录结构，它们是当前文件系统的典 型而完美的代表。
3.多级目录结构



多级目录结构由根目录和各级目录组成， 为管理上的方便，除根目录外，其它各 级目录均以文件的形式组成目录文件。 根目录中的每个目录项可以对应一个目 录文件，也可以对应一个数据文件，同 样目录文件中的每个目录项可以对应一 个目录文件。也可以对应一个数据文件。 如此类推，就形成多级目录结构。 也称树形目录结构。
因此，引入文件和文件系统的概 念，它是操作系统的重要组成部分。
8.1.2 文件
1.文件的定义
文件是计算机系统中信息存放的一种组织形式， 目前尚无严格的定义，下面给出两种有代表性的解释: