操作系统_第5章辅导与自测

第5章文件系统辅导与自测

5.1 本章知识点

操作系统管理的资源有硬资源和软资源，软资源的一个重要方面指的是文件。我们的程序和数据等都要以文件的形式存放在系统中，所以文件系统与用户的关系也最为密切。

操作系统通过管理多种存储设备来执行抽象的文件概念。由于计算机系统需要处理的信息量太大，不可能把所有的信息全部保存到内存中，而往往将其中的绝大部分保存在外存，通常是保存在磁盘中，只有那些相对稳定（即不经常使用与修改）的信息才保存在磁带中。然而，在多用户系统中，既要保证各用户的信息存放位置不冲突，又要防止任一用户大量占用外存空间而不使用；既要保证用户的信息不被非法窃取或破坏，又要允许在许可的情况下多个用户共享。显然，这一切都是单个用户无法胜任的，需要有一个公共的管理机构来负责统一使用外存空间，管理外存空间的信息，这就引入了文件系统。

本章的主要知识点为：

（1）文件分类

文件是被命名的数据的集合体，是由操作系统定义和实施管理的抽象数据类型。可以从不同的角度来划分文件的类型：

按用途分为：系统文件、库文件、用户文件；

按文件中的数据形式分为：源文件、目标文件、可执行文件；

按存取权限分为：只读文件、读写文件、可执行文件；

按保存时间分为：临时文件、永久文件；

在UNIX/Linux和MS-DOS系统中，文件分为普通文件、目录文件和特殊文件。而普通文件又分为ASCII文件和二进制文件两种。

不同的文件系统对文件的命名规则是不同的，通常由文件名和扩展名（即后缀）组成。一般利用扩展名可区分文件的属性。

（2）文件系统的功能

文件系统是操作系统中负责操纵和管理文件的一整套机制，它实现文件的共享和保护，方便用户“按名存取”。文件系统为用户提供了存取简便、格式统一、安全可靠的管理各种文件信息的方法。一般说来，文件系统应具备以下功能：文件管理（如创建/删除文件，对文件的各种操作等）、目录管理（创建/删除目录项，权限验证等）、文件存储空间的管理（如外存空间的分配与回收）、文件的共享和保护以及提供方便的对外接口（如实现按名存取，文件系统调用等）。

（3）文件的逻辑组织和物理组织

从用户观点出发所见到的文件组织形式称为文件的逻辑组织。文件的逻辑组织离不开文件的实际物理结构，同时又与文件的存取方法有关。

系统设计人员看待文件时要考虑文件具体在存储设备中如何放置、如何组织目录、如何实现存取等细节，这与存储介质的存储性能有关。文件在存储设备上的组织形式称为文件的物理组织。

文件的逻辑组织有两种形式：有结构文件和无结构文件。有结构文件又称为记录式文件，它又分为定长和变长的记录文件。而无结构文件又称为字符流文件，UNIX/Linux系统中文件都采用流式文件。用户对文件的存取通常有顺序存取和随机存取两种。

文件通常存放在磁盘上的盘块上，文件的物理组织涉及文件的信息如何在磁盘上放置。基本的文件物理组织形式有：连续文件、链接文件、索引文件和多重索引文件。它们各有优缺点，当然后者性能更佳。

（4）目录文件

操作系统核心对文件的管理是通过文件控制块实施的。每个文件有唯一的文件控制块。在UNIX/Linux系统中把它称为I节点。由文件控制块构成的文件称作目录文件，简称目录。文件控制块就是其中的目录项。

将文件名转换成该文件在外存的物理位置，即实现文件名与其存放盘块之间的映射，这是文件目录所提供的最基本的功能。

文件目录的组织与结构是文件系统的一个重要方面，也反映了文件系统的特色。一般来说文件目录的组织形式分为单级目录、二级目录、树形目录和非循环图目录。

单级目录最简单，但存在重名问题，难以保证所有文件的名字都是唯一的。二级目录为各个用户单独建立一个目录，从而解决了上述问题，每个用户的文件都在他自己的目录下。为使用方便，对二级目录进行扩展，成为树形文件目录。这种多分支多层次的目录结构允许用户创建自己的子目录，便于用户更合理地组织其文件。非循环图目录结构是带链接的树形目录结构，它利于实现对文件或目录的共享。UNIX/Linux系统中的目录结构就采用带链接的树形目录结构。

（5）文件存储空间的管理

文件存储空间的管理是对外存空间中空闲盘块的管理。创建新文件或扩充老文件时，需要申请空闲盘块；删除文件时要回收释放的文件块。对空闲盘块的管理方式主要有：空闲盘块表、空闲块链接、位示图和空闲块成组链接等。

（6）文件的共享与文件系统的安全性

文件的共享与文件系统的安全性是文件系统中的一个重要问题。

文件的共享是指一个文件被多个用户或进程使用。目的是节省时间和存储空间，减少了用户工作量。文件链接是实现文件共享的有效途径，分为硬链接和符号链接。由于文件是多数计算机系统中主要的信息存储机制，既要实现共享，又必须加以保护。

为了实现文件系统的安全，文件需要保护和保密。对文件的存取控制可分别由存取类型来设定，如读、写、执行等，也可以通过命名、口令、存取权限或者加密的方法实现对文件的保护和保密。

文件信息可能因硬件或软件的故障而遭到损坏，为此必须加强对文件系统的可靠性管理，如文件系统的备份和必要时的恢复。备份就是把硬盘上的文件转储到其他外部介质上。

（7）Linux文件系统

Linux系统的一个重要特征就是支持多种不同的文件系统，目前，Linux主要使用的文件系统是ext2和ext3。ext2文件系统将逻辑块划分成块组，每个块组重复保存着一些有关整个文件系统的关键信息，以及实际的文件和目录的数据块。

Linux系统提供了虚拟文件系统（VFS）。通过VFS将不同文件系统的实现细节隐藏起来。Linux文件系统可以根据需要随时装卸，从而实现文件存储空间的动态扩充。

UNIX/Linux系统的管道文件独具特色。管道文件按FIFO方式工作，它是同族进程间进行大量信息传送的有力工具。

5.2 典型例题解析

【例1】判断正误：文件系统中文件的内容只能是源代码。（）

答案错误

分析文件是信息的一种基本组织形式，可以是有格式的，也可以是无格式的。文件的内容是一组信息的集合，可以是源代码、二进制代码、文本文档、表格、数据、声音和图像等。

【例2】文件系统的主要目的是（）。

A．实现对文件的按名存取B．实现虚拟存储

C．提供外存的读写速度D．用于存储系统文件