计算机操作系统(第七章)

§7.3 文件的物理结构与存储设备
7.3.1 文件的物理结构
在文件系统中，文件的存储设备通常划分为若干个大 小相等的物理块，每块的长为512或1024字节。文件信 息也同样划分为与存储设备的物理块大小相等的逻辑块 因此，块作为文件空间和传送信息的基本单位。 文件的物理结构是指文件在外存上的存放结构， 常用的文件物理结构： （1）连续文件 把一个在逻辑上连续的文件信息依次存放到连续的物理块 中。
Rx
Ry
Rw
（3） 转置结构
把所有与同一键值对应的记录指针连续的置于目录中该 键的位置下。
特点：最适合于按键值检索记录
K1
含有K1的 所有记录的指针
Ri
Rj
Rz
…
文件的转置结构
（4）顺序结构：
所有记录按给定的键所规定的顺序排列的方式
特点：增加和删除记录时比较麻烦，因为文件是按键排序 的，增、删记录均需调整记录顺序。
常用的记录式文件结构
（1） 连续结构
按记录生成先后顺序排列的逻辑结构
特点：适用性，可用于所有文件，记录的排列与记录的内容 无关，便于追加和更新，但不利于随机检索。
（2） 多重结构
按键值组织多个队列，每个队列中的所有记录 含该键值
特点：有利于按键值检索 K1 … Km Ri Rj Rz
ห้องสมุดไป่ตู้
都包
文件的多重结构
分配
扫描位示图找出一个或一组值为0的位
将其转换成对应的盘块号，
若为“0”的位的行、列号是i,j
则块号为：b=n*(i-1)+j 修改位示图 回收 将回收块的块号b转换成图中的行列号； I=(b-1) DIV n +1 j=(b-1) MOD n+1
修改位示图
§7.5 文件目录管理
文件目录管理就是对文件说明信息的管理。文件系统中 实现按名存取就是通过文件目录管理来实现的。 7.5.1 文件的组成 从管理角度看，文件由文件说明和文件体组成 文件说明:也叫文件控制块 (FCB),它包括文件名、文件 内部标识、文件体物理地址、存取控制和管理信息等 文件体，指文件本身 文件说明组成目录文件，文件系统利用目录文件完成按 名存取和对文件的共享和保护。 7.5.2 文件目录
7.2.2 存取方法
（1） 顺序存取法 按文件的逻辑地址进行顺序存取，对于记录式文件，按记 录号的顺序存取，对于字符流（无结构）文件，存取位 置由读写指针指明，且读写指针根据读取的字符量自动 调整。 （2）随机存取法 按记录号直接进行存取，或根据存取命令直接把读写指针 移到欲读写位置来读写 （3）按键存取法 按给定的键值或记录名进行存取 按键存取时的几种搜索算法： （1）线性搜索法（逐个比较搜索），效率较低 （2）散列法（由散列函数直接产生键所对应的逻辑地址） （3）二分法（适用于文件中的键或记录是有序的情况，效 率较高）
lee
E R W W
zhang
RWE RWE WE RW
….
….
a.c b.c d.c e.c
特点：存取控制矩阵将占用大量的空间，而且验证时扫描 存取控制矩阵将花去较长的时间
（2） 存取控制表
以文件为单位，把用户按某种关系分成若干组，规定每组的 存取权限。
文件名
用户
文件组 A组 B组 wang 其他
3.基本文件目录表BFD
将所有文件目录的内容分成两个部分：
• 符号文件目录表（SFD):包括文件名、文件内部标识符 • 基本文件目录表 (BFD):包括文件结构信息、物理块号、 存取控制和管理信息。
空闲文件目录
标识符 物理块号 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 w.c
用户 名 目录大 小 控制 物理 始址
文件名 A.C editor
属性 物理始址 a.c editor
Wang
Zhang
文件名 A.C editor
属性 物理始址
a.c同名
多级目录 构成树型结构，最高层是根目录，最低层是数据文件，其它 是目录文件。 特点：
1）层次清楚，便于管理，不同分支赋予不同的权限，便于保护 2）解决了文件重名问题，不同分之下，文件的全名不同 3）查找速度快
选取文件逻辑结构时应该遵循的原则： （1）能减少修改文件时的处理工作量 （2）能有较快的查找速度
（3）能尽量节约存储空间
（4）便于用户进行操作
文件逻辑结构主要分为两类： 流式文件和记录式文件 1．对于流式文件：由连续字符流组成，存取、检索 的基本单位是字符 如DOS、UNIX、WINDOWS等 2．对于记录式文件：由记录组成，存取、检索的基 本单位是记录 记录是具有特定意义的信息单位，它由记录 逻 辑 地址、一组键、属性（数据项）组成， 属性是可命名的最小单位 3．文件是存储空间分配的基本单位
由各种标准子程序库组成，允许用户对其进行读取、执行， 不允许修改，如C、FORTRAN子程序库等
用户文件
由用户生成的文件，由所有者和被授权的用户使用，由源程 序、目标程序和用户数据库等组成。
（2）按组织形式分类 普通文件
指组织格式为系统规定的最一般格式的文件，如字符流组 成的文件，包括用户文件、系统文件等
目录文件
是指由文件的目录信息组成的特殊文件，其文件内容是用 来检索普通文件的目录信息
特殊文件
指各种输入输出设备组成的特殊文件，其使用方式与普通 文件相同，但它与设备处理相联系
§7.2 文件的逻辑结构与存取方法
7.2.1 逻辑结构（组织）
文件的逻辑结构（组织）：是指从用户组织、使用 文件时可见的结构。
（2）文件系统：操作系统中与管理文件有关的软件 和数据的集合。 文件系统的特点： 1）友好的用户接口 2）对文件实行按名存取，对用户透明 3）能够实现文件的用户级和进程级共享 4）能够调用设备管理程序实现对大容量存储介质的有效 管理。
3．文件的分类
（1）按文件性质和用途分类
系统文件
由操作系统核心和系统程序及数据组成，通过系统调用执行， 代表了系统给用户提供的功能，不允许用户读写和修改。 库文件
§7.6 文件存取控制
文件共享：指不同用户共同使用一个文件 文件保护：防止文件拥有者和其它用户对文件内容的 破坏 文件保密：指未经文件所有者许可，任何用户不得访 问该文件
文件系统的存取控制机构功能：
（ 1 ）对拥有权限用户，应允许其对文件进行权限限 定的操作 （2）对没有权限的用户，应禁止其对文件进行操作 （3）应防止一个用户冒充其它用户对文件进行操作 （4）应防止拥有权限用户误用文件
2.直接存取设备
该类设备允许文件系统直接存取任意一个物理块，如磁盘， 物理地址用柱面号、磁头号和扇区号表示。
§7.4 文件的存储空间管理
文件系统必须有效地管理存储空间，这样才能保证多个用 户共享存储设备并且实现文件的按名存取。文件存储空间的 管理，实质上就是空闲块的组织和管理。 它包括空闲块的组织、空闲块的分配、空闲块的回收。 （外存是按块进行管理和信息交换的） （1）空闲文件目录（空闲表法） 将空闲块的块号统一放到一个称为空闲文件目录的物理块中， 每个表项包括序号、该空闲区的第一盘块号和空闲块数。
1
22 25
2
25 0
3
串联文件的物理结构
（3） 索引文件
为每个文件建立一张索引表，表中每一栏指出文件信息所 在的逻辑块号和与之相对应的物理块号，索引表的物理地址 由文件说明信息给出
文件说明信息
索引表指针
索引表
逻辑 块号 物理 块号
20 15 22 25
……
0 1 2 3
20 15 22 25
索引文件示意图
为提高文件存取速度和不增加 I/O 设备的负担，通常 把正在使用的文件目录表目复制到内存。 打开文件：把文件存储设备上的目录文件复制到内存 的操作 关闭文件：删除文件的内存副本的操作。 活动名字表：内存中存放的活动文件的SFD表目，该表 每个用户一张 活动文件表：内存中存放的活动文件的BFD表目称为活 动文件表，该表整个系统一张
a.c
RWE RE E RWE None
注：每个文件均有一个存取控制 表，将其放在BFD中，当文件打 开时，存取控制表就放入内存 中了，效率很高（UNIX采用）
（3）口令，包括登录系统的系统级口令和建立文件时的口令
（口令一般需保存在系统中）
（4）密码，对文件内容加密，用时需解密
§7.7 文件的使用
Wang的SFD ID zhang的SFD ID
主目录
wang zhang
ID
3 4
a.c b.c
a.c b.c f.c z.c
5 6
f.c z.c
Sub_d
6 7 8
Sub_d的SFD ID
w.c
9
例：访问文件 zhang/ sub_d/w.c 的过程 和 wang/b.c 的过程
7.5.4 目录管理
第七章 文件系统
§7.1 文件系统的概念
1．文件系统的引入 文件系统必须完成的工作： （1）外存的分配、回收 （2）按名存取（最基本目标） （3）文件的共享和保护 2．文件与文件系统的概念 （1）文件： ○具有文件名的具有相关属性的字符的有序集合。 ○具有文件名的具有相关属性的记录的有序集合。
§7.1 文件系统的概念
文件系统与用户的接口：（系统调用和命令方式） 1.存取权限设置修改 2.建立、改变、修改和删除目录 3.文件共享及设置访问路径 4.创建、打开、读写、关闭及撤销文件
§7.8 文件系统的层次模型（略）
文件A
第一物理块号（10）
文件长度（4）
物理块号
10
11
12
13
逻辑块号
0
1
2
3
连续文件结构
特点：1）文件逻辑块号到物理块号的映射简单，读写速度快；
2）不利于文件内容的增减，而且会限制文件的大小。
2）串联文件
串联文件采用非连续的物理块来存放文件信息，在每个物理 块中设置一个指针指向其后续的物理块，而使得存放同一文件 的物理块结成一个串联队列。
特点：1）索引文件能满足文件动态增长的要求，又适用于顺 序访问和随机访问 2）增加了空间开销，因索引表要占用空间；另外，存 取文件需两次访问存储器，一次读索引表，第二次才读数据
7.3.2 文件存储设备
1.顺序存取设备
只有前面的物理块访问后，才能访问后面的物理块号，如磁 带，顺序存取设备不适合随机访问
为了实现存取控制机构功能，系统提供了一组存取控制 验证模块，存取验证模块的工作步骤：
（1）审定用户的存取权限 （2）比较用户权限与本次操作是否一致 （3）将存取要求和访问文件的保密性比较，看是否冲突 验证用户存取权限的方法： （1） 存取控制矩阵
用户 文件名 存取数
wang
RWE RW R R
1
4 3 6 14 13 12 11 10 7 2 5 8 9
文件系统树型目录
7.5.3 便于共享的文件目录
实现文件共享的方法： 1.绕道法
要求每个用户在当前目录下工作，共享某个文件时，从当前 目录出发向上返回到与所要共享的所在路径的交叉点，再顺序 下访到共享文件。
2.链接法
将一个目录中的链指针直接指向被共享文件所在的目录。
序号 1 2 第一空闲块号 2 9 空闲盘块数 4 3
3
4
15
20
6
9
适合于连续 文件的分配
（2）空闲块链
将所有空闲块链接在一起，当分配时从链首开始扫描，摘 取空闲块后，调整链首指针，回收时，插入链尾。
（3）位示图
位示图是是利用二进制的一位来表示磁盘中的一块的使用 情况，比较节省空间。当其值为“0”时表示空闲，为“1” 时表示盘块已分配。将所有的位组织成一个二维数组。 设位示图为一个m╳n的数组
文件目录分为单级目录、二级目录和多级目录
单级目录 文件系统为存储设备的所有文件建立一张目录表，每个文件 在其中占有一项来存放文件说明信息，目录表存放在存储设备 的固定地方，系统启动时调入内存。 文件系统通过对该表的信息完成对文件的创建、搜索和删除。 注意，单级目录无法解决文件重名问题。 二级目录 以用户为单位把各自的文件FCB分组，然后将其放在主目录的 目录项中，用户的目录文件称为用户文件目录（UFD)
特点：1）不必在文件信息中指明文件的长度，只需指明第一 个块号； 2）文件的长度可以动态地增加，通过调整指针就可以 实现插入和删除一个信息块；
3）查找文件信息块时要顺着链进行，所以搜索效率较 低，因此不适合随机存取。
文件说明信息
第一物理块号20 20 15
0
…….
物理块号 连接指针 逻辑块号
15 22