UNIX系统文件基础

文件类型

在UNIX系统中, 文件分为三类: 即普通文件、目录文件和特殊文件.

1. 普通文件

也称正文文件，可以用来保存程序、数据等任何信息. 这是一种无结构的, 以512个字节为一块, 顺

序存取的流式文件．

2. 目录文件

用于检索文件的文件. 目录文件可能是系统文件, 也可能是用户文件.

3. 特殊文件

即设备. 在UNIX系统中将设备也作为文件来处理, 对于设备的所有操作都需要经过文件系统，

这有如下两个优点:

(1) 设备与文件界面统一：使用设备与使用文件没有差别. 具体地说, 打开一个设备文件相当于申请该

设备, 关闭一个设备文件相当于释放该设备, 读写设备文件相当于对设备进行I/O操作.

(2) 设备可采用与文件相同的保护机制：文件可以访问权限等手段加以保护, 设备作为文件处理也可如同文件一样得到保护. 如对于打印机设备可规定为只“写”型设备, 对其实行“读”操作将被视为非法而加以

拒绝.

将设备作为特殊文件管理是UNIX系统的成功特点之一，并被后来其它一些操作系统所借鉴.

12.5.2 文件体系

UNIX文件系统呈树形结构, 树的根结点为根目录root, 树的叶结点可以为普通文件、特殊文件、或者目录文件. 其它既非根结点也非叶结点的结点为目录文件. 如图12－8 所示.

图中虚线代表链接(link)，通过链接可以给一个文件赋予多个符号名(路径名)，这是共享文件的一种方

法．

12.5.3 文件结构

1. 文件的逻辑结构

UNIX普通文件的逻辑结构为流式的. 在用户看来, 一个文件是一个字节序列. 文件的读写操作命令包含传输字节的个数．这种结构实现简单, 系统开销小．当然, 如果需要, 用户可以利用流式文件来构造记录

式文件, 因为对于文件内容的解释权完全留给了用户.

2. 文件的物理结构

UNIX文件的物理结构为链接结构与索引结构的结合, 也可看成是多级索引结构.

其实现如图12-9所示.

12.5.4 文件目录与连接

1. 目录项

相当于FCB次部，包括两个内容: 即文件名和inode编号, 不同的文件名可能对应同一个inode编号, 这样便对应同一个FCB主部, 即一个文件可以有多个名字.

2. inode

相当于FCB主部, 包括文件主、共享说明、地址信息等, 称为inode, inode与文件具有一对一的关系. 在UNIX文件系统中, 有一个固定的区域, 用于保存所有文件的inode. 如图12－10 所示. 每个inode有一个

唯一的编号，称为i_number.

将FCB分为两部分的目的之一是实现文件的连接，所谓连接实际是使多个目录项与同一个inode建立联系，从而可以通过不同的路径名查找到同一个文件，即使一个文件有多个符号名称. 例如对于图12-11(a)所示的目录树，经过连接后文件f增加了路径名/usr/Xu/d2/g，如图12-11(b)所示．二者具有相同的

i_number(15)，因而对应同一个inode.

12.5.5 文件系统映射

文件打开时，控制信息被移入内存相关表目中，并通过文件描述符建立与文件内容之间的联系．

图12－12给出了进程空间与u_ofile表、file表、inode表之间的连接关系，其中文件描述符4,6对应两个不同的文件，描述符10,2对应同一文件但不共享读写指针，描述符8,9对应同一文件且共享读写指针．

完整的file结构定义如下：

5507 struct file

5508 {

5509 char f_flag; /* FREAD=01, FWRITE=02, FPIPE=04 */ 5510 char f_count; /* reference count */ 5511 int f_inode; /* pointer to inode structure */

5512 char *f_offset; /* read/write character pointer */

5513 }

12.5.6 文件卷的安装

用一个文件卷的根目录取代文件的一个普通文件. 这样一个文件卷可以动态地联结到文件系统中, 也可以动态地由文件系统中卸下. 文件卷的组织形式如图12－13 所示. 其中块#0为引导块, 负责操作系统的装入; 块#1为特殊块, 记载磁盘块的分配状况; 由块#2到块#k+1为inode区域, 保存文件FCB主部, 其k 值在文件卷初始化时确定; 由块#k+2到块#n-1为一般块, 保存普通文件及目录文件的内容.

其中引导块只对系统根文件卷才是有意义的，它负责在系统启动时在磁盘上找到UNIX系统并将其装入内存. 超级块(super block)是一个文件卷中最重要的数据结构，它记录本卷上inode块和一般块的分配状

况，以及锁等标志信息

文件的变化（建立、撤销、写入等）一般都需要访问超级块以实现对inode块和一般块的管理. 文件卷卸下(unmount)时，若超级块在内存期间被修改，则需要写回外存. 实际上，这种回写每隔一段时间都需要执行一次，以防止意外，保证缓冲区内容与文件卷内容的一致性.

12.5.7 磁盘空间管理

UNIX空闲磁盘空间的管理采用了成组连接方式,它可看成是空闲块链与空闲块表的结合，涉及超级块(块号#1)中s_nfree，s_free[100]和s_flock三个数据结构. s_free可记录多达100个空闲块号以及一个由连接块构成的成组连接链之链头, 而每个连接块中登记有多达100个空闲块号以及一个指向下一个连接块的指针；s_nfree是当前超级块中所记录的空闲块的个数；s_flock是互斥操作空闲块数据结构的锁标志. 如图12

－14 所示.