操作系统第十一章

访问方法层 ：与用户最近的一层。在应用程序和文件 系统及保存数据的设备之间提供了一种标准接口。

不同的访问方法反映出不同的文件结构和访问数据的不同方法。
11.2 目录实现

为了实现用户对文件的按名存取，系统要对目录进行查询 ，找出该文件的文件控制块或者索引节点，进而找到该文 件的物理地址。 线性列表：顺序检索法。目录文件由目录项构成一个线 性表，每个目录项包括文件名和执行数据块的指针。 创建新文件：检索该目录，检查是否同名，没有同 名，则将新文件的目录项添加到目录末尾 删除文件时：检索目录找到该目录项，然后释放分 配给它的全部空间，并且清空该项 评价：简单易行、速度慢。改善：使用缓存来存放 最近用过的目录信息。将目录排序，使用二分检索 法，缩短平均查找时间，但会使文件的创建和删除 变得复杂


为此，我们可以将文件名和其他信息分开，后者单独形成一个独 立的数据结构，称为索引节点（index node或者i_node)．对应的 目录项就不再是完整的一个FCB,而是由文件名和指向索引节点的 指针组成． 在引入索引节点之后，一个文件在创建后将立即有与之对应的一 个磁盘索引节点．若该文件被调进内存，将立即有对应的一个内 存索引结点．
例题
一个已经打开的连续文件，要读取其第10号数
据块，则需要____次I/O操作；对于链式文件 需要____次I/O操作？

设某个文件为链式文件，由5个逻辑记录组成 ，每个逻辑记录的大小与磁盘块大小相等，均 为512字节，并依次存放在50、121、75、80、 63号磁盘块上。若要存取文件的第1569逻辑字 节处的信息，问要访问哪一个磁盘块？


优点：

可以比较容易地找到第一个或一组连续的自由块，适用于任何一 种文件分配方法。（而且很多计算机都提供位操作指令） 位表小，但长度可变 例：对于一个16GB的磁盘，块大小为512 字节，则位表占4MB 空间。
对于大文件，位图占用内存空间较多，可以按合并4个扇区位一个 cluster（簇）的方法。

简单。适用于一次性写入的操作 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（因为由于空间的 连续性，当访问下一个磁盘块时，一般无需移动磁头，当 需要磁头移动，只需要移动一个磁道。 缺点: 文件不能动态增长（可能文件末尾处的空块已经分配给别 的文件） 不利于文件插入和删除 外部碎片问题（反复增删文件后），使得很难找到空间大 小足够的连续块。进行紧缩 在创建文件时声明文件的大小。
第11章 文件系统实现
11.1 文件系统结构
用户程序
堆
顺序 索引顺序
逻辑I/O
索引
哈希
基本I/O管理程序
基本文件系统（物理I/O层） 磁盘设备驱动程序 磁带设备驱动程序
11.1 文件系统结构
设备驱动程序：负责启动该设备上的I/O操作，处理I/O 请求的完成 基本文件系统（物理I/O层）：处理与磁盘或磁带交换 的数据块。
11.3 文件的分配方法－索引分配


索引分配：每个文件在FAT中有一个一级索引，索引包含分 配给文件的每个分区的入口。文件的索引保存在一个单独的 块中。FAT中该文件的入口指向这一块。 优点：
保持了链接结构的优点,又解决了其缺点：按块分配
可以消除外部碎片，按大小可变的分区分配可以提 高局部性。索引分配支持顺序访问文件和直接访问 文件，是普遍采用的一种方式。 满足了文件动态增长、插入删除的要求（只要有空 闲块） 也能充分利用外存空间

11.4 磁盘空闲空间的管理-位表
创建新文件时，系统要为用户的文件分配相应
的外存空间；删除一个老文件时，系统要回收 该文件所占用的外存空间，供新文件使用。因 此，系统需要对外存空闲块进行妥善管理。 在分配时，首先知道磁盘中的哪些块是可用的 。除了FAT外，还需要一个DAT（disk allocation Table）。实现技术：
多重索引结构－举例－Unix的索引节点

Unix中通过为每个文件创建一个i节点的方法，巧妙：
i节点中包含39个字节的地址信息，这个地址信息被组织成

13个3字节的地址或指针。 前10个表目是直接索引，指向文件最初的10个数据块。 当文件大小小于10块时，可以直接定位到这10个块； 第11个表目是一级索引表，指向磁盘中包含下一部分索 引的块。 第12个表目是二级索引表， 第13个表目是三级索引表； 对比：在许多文件系统中，如MS－DOS中，使用文件分配表 FAT来管理文件的物理盘块： 使用FAT的主要问题：整个磁盘的所有文件登记在同一个 FAT表中。因此，即使仅打开一个文件，也要使用整个FAT 来查找该文件所所分配的盘块，浪费时间。

缺点：

11.4 空闲空间的管理-位图（位向量）

位表的管理：
位图可以位于内存或磁盘中，但在磁盘中需要搜索

缺点：
较多的寻道次数和寻道时间. 索引表本身带来了系统开销，
如：内外存空间，存
取时间
磁盘空间的索引分配
连续分配和索引分配相结合：对于小文件 （3块或者4块），采用连续分配，当文件 大时，自动切换到索引分配。
文件的直接访问：使用连续分配方式 文件的顺序访问：采用链接分配 对于这些系统，所使用的访问类型必须在文 件创建时加以说明。
位图 空间块链接法 空闲目录法 成组块链接法
11.4 空闲空间的管理-位图（位向量）

位图（位向量）：使用一个向量，向量中的每位（bit） 对应于磁盘中的每一个块（block）
0：表示一个空闲块 1：表示一个已使用的块。 例：2,3,4,5,8,9,10,11,12,13,17,18,25,26,27,… ==> 001111001111110001100000011Hale Waihona Puke Baidu…
入指定的文件名。
由文件长度确定文件存储所需的物理块数。
按规定的物理结构为文件分配存储空间。对连续文件，
则分配块连续的空间，对索引文件，现分配索引表用的 物理块。
在该文件目录项中写入文件的属性、文件的物理块首址
等。
举例：文件操作
打开文件(open):
按指定的文件名检索文件目录，将待访问文件
在程序中使用这些系统调用对文件进行各种操 作。
如建立文件、打开文件、关闭文件、删除文件、
读文件、写文件。
举例：文件操作

建立文件：creat（文件名、文件属性）
检查参数合法性：按给定的路径查文件目录，找出用户
指定的目录位置，检查目录上是否存在同名文件，若存 在则发出错误信息。
在指定的目录中找一个空表项作为该文件的目录项，写
的目录信息读入内存活动文件表中，建立起用 户和文件的联系。
一旦文件被打开就可以多次使用。直到文件被
关闭。
多重索引结构
大文件：设一个盘块大小为1KB，长度为100KB的 文件就需要100个盘块，索引表至少包含100项； 若文件大小为1000KB，则相应索引表项要有1000 项。设盘块号用4个字节表示，则该索引表至少占 用4000B（约4K）。 当文件很大时，存在的问题：


注重的是这些块在外存设备中的位置，而并不知道该文件所涉及的 数据或结构的内容。
基本I/O管理程序：负责所有文件I/O的开始或结束。选 择执行文件的I/O设备，外存的分配，I/O缓冲区的指定 逻辑I/O：使用户和应用程序能够访问到记录。


物理I/O层处理的是数据块，逻辑I/O处理的是文件记录。它提供一 种通用的记录I/O的能力。
物理块号 …
多重索引结构－图示

outer-index index table file
多重索引结构－举例－ Unix的索引节点

为了加速对文件目录的查找，在Unix系统中，将文件 名和其它文件说明信息分开，由文件说明信息形成一 个称为索引节点的数据结构，而相应的文件目录项只 由文件名和对应的索引节点号组成。 文件名 i节点号
举例
文件系统采用多级索引结构来搜索文件文件内容 。设块长为512字节，每个块号长3字节。如果 不考虑逻辑块号在物理块中所占的位置，分别求 二级索引和三级索引时可寻址的文件最大长度。 （512/3=170) 一级索引：170块 二级索引：170×170＝28900（块）， 28900×512＝1450K字节 三级索引：170×170×170＝4913000（块）， 4913000 ×512＝2456500K字节
多重索引结构－举例－ Unix的索引节点

文件分配以块为基础。按照需要动态进行，不是预定义的。 文件在磁盘中的块不一定是连续的。 Unix系统为了访问文件，采用索引的方法，索引的一部分保 存在该文件的索引节点中。
文件系统

索引节点（I节点）
文件名 games 索引节点编号
mail
News work
根目录文件的内容：
文件名 作业 软件 娱乐 F1 文件类型 目录文件 目录文件 目录文件 数据文件 外存地址
…
C OS F1.C F2.C OS1
11.3 分配方法
连续分配 链式分配 索引分配
11.3 分配方法－连续分配

连续分配：创建文件时，分配一组连续的块；FAT中每个文件只要一 项，说明起始块和文件的长度。对顺序文件有利。 优点:

需要很多的磁盘块
索引表很大
不能将整个索引表放在内存

解决途径：采取多重索引结构
11.3 文件的分配方法－多重索引结构
索引表 20 物理块号
… 文件信息 文件信息
文件说明信息
记录号 索引表指针 …… 0 1 2 3 物理 块号 20 15 22 25
15 物理块号
…
…
22 物理块号
…
… 25
Unix的索引节点（i节点）
在Unix系统中使用1KB的物理块，每个索引
表的表目需要用32位来存放物理块地址，因 此每个物理块刚好是256个表目，可以映射 256个物理块。因此：
小文件（≤10块）：只使用直接索引表。 中等文件（≤266块）：使用直接索引表与一
级索引表 大型文件（≤10＋256＋256×256＝65802块 ）：使用直接索引表与一级和二级索引表。 巨型文件：使用全部索引表，可寻址 16777216块。
索引文件的物理结构
文件说明信息
索引表指针
…… 逻辑块 号 0 1 2 物理 块号 20 20 15 22
索引表
15
22 25
3
25
索引表组织
多级索引:将一个大文件的所有索引表（二级索引)的地 址放在另一个索引表（一级索引)中。
举例：文件操作
2种方式
命令级接口：dir、copy等 系统调用：文件系统的程序级接口，用户可以

磁盘空间的连续分配
11.3 分配方法－链式分配
链式分配：一个文件的信息存放在若干不连续的物理 块中，各块之间通过指针连接，前一个物理块指向下 一个物理块。FAT中每个文件同样只需要一项，包括 文件名、起始块号和最后块号。任何一个自由块都可 以加入到链中。 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
11.2 目录实现
哈希表：利用线性表存放目录项，利用哈息表进行检索
。哈希表根据文件名得到一个值，并返回一个指向线性 列表中的元素的指针。 冲突问题：两个文件名相同的哈希值。
文件系统

目录

目录文件 作业目录文件的内容： …
文件名 文件类型 目录文件 目录文件 数据文件 数据文件 数据文件 外存地址

缺点：
存取速度慢，一般仅适于对信息的顺序存取，不适于随机
存取:查找某一个块必须从头开始沿指针进行。 可靠性问题，如指针出错；更多的寻道次数和寻道时间 链接指针占用一定的空间，将多个块组成簇（cluster）， 按簇进行分配而不是按块进行分配（增加了磁盘碎片）。
磁盘空间的链式分配
使用FAT－文件分配表法－链接分配的变种，如MSDOS和OS/2。见教材P312
多重索引结构－举例－Unix的索引节点
所有类型的Unix文件都是由OS通过索引节点来管理 的 索引节点是一个控制结构，包含OS所要的关于某个文 件的重要信息:

文件模式
链接计数
所有者ID 组ID 文件大小 文件地址（39字节） 最后一次被访问 最后一次被修改 索引节点被修改