操作系统原理教程

操操作作系系统统原原理理教教程程第4章文件管理本本章章教教学学目目标标熟悉文件的概念、分类、文件的组织掌握磁盘的调度算法熟悉文件目录的管理、文件的保密与保护方法熟悉文件的使用本本章章教教学学内内容容4.1文件管理概述4.2文件的组织4.3文件的存储设备4.4文件的目录管理4.5文件的共享与安全4.6文件的使用44..11文文件件管管理理概概述述4.1.1文件管理的主要任务4.1.2文件管理的主要功能4.1.3文件系统的基本概念44..11..11文文件件管管理理的的主主要要任任务务文件管理，即构成一个文件系统，负责管理在外存上存放的文件，并把对文件的存取、共享和保护等手段提供给操作系统和用户。文件管理的主要目标是提高外存储空间的利用率。它的主要任务是对用户文件和系统文件进行管理，方便用户使用，并保证文件的安全性。44..11..22文文件件管管理理的的主主要要功功能能1.文件存储空间管理2.文件目录管理3.逻辑文件与物理文件的转换4.文件读写管理5.文件共享和安全的管理11..文文件件存存储储空空间间管管理理存储管理的任务是为每个文件分配必要的外存空间，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系统的工作速度。由于文件存储设备是以块为单位进行管理的，因此，文件存储空间的管理实质上是一个空闲块的组织和管理问题，它包括空闲块的组织，空闲块的分配与空闲块的回收。22..文文件件目目录录管管理理为实现文件的按名存取，每个文件首先应该具有一个文件名与之对应。目录管理的任务是为每个文件建立目录项，并对众多的目录加以组织，以实现方便的按名存取，实现文件的共享，提供快速的目录查询手段，提高文件的检索速度。33..逻逻辑辑文文件件与与物物理理文文件件的的转转换换逻辑文件：规定用户直接使用的文件。物理文件：存储介质上的文件。用户使用文件时只要给出文件的名字和一些适当的说明信息，文件系统就能按照用户的要求把逻辑文件组织成物理文件存放到存储介质上，或者把存储介质上的物理文件转换成逻辑文件供用户使用。文件系统还可根据需要更换文件存放的位置而对用户没有任何影响。44..文文件件读读写写管管理理文件系统读写控制的主要任务：–一是，对于拥有读写和执行权限的用户，允许其对文件进行相应的操作。–二是，对于没有相应权限的用户，禁止他们对文件进行相应的操作。–三是，防止一个用户冒充其他用户对文件进行读写操作。–四是，防止拥有存取权限的用户误用文件。55..文文件件共共享享和和安安全全的的管管理理文件共享是指不同的用户共同使用同一个文件。文件的安全管理即文件的保护，是解决文件的非法操作的关键。44..11..33文文件件系系统统的的基基本本概概念念1．文件2．记录3．数据项4．文件类型5．文件系统模型11．．文文件件文件是指存放在外存上的已命名的一组相关信息的集合。通常将程序和数据组织成文件。文件中的基本访问单位可以是位、字节或记录。文件的属性包括文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件的存取控制、文件的建立时间。22．．记记录录记录是一组相关数据项的集合，用于描述数据对象某方面的属性。它是文件中数据处理的基本单位，是组成文件的基本元素。33．．数数据据项项数据项是指描述一个对象的某种属性的字符集，它是数据处理的最小单位。它可以分为–基本数据项：是用于描述一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。–组合数据项：由若干个基本数据项组成，简称组项。44．．文文件件类类型型（1）按性质和用途分类–系统文件、用户文件、库文件（2）按文件中的数据形式分类–源文件、目标文件（3）按文件的存取控制属性分类–只执行文件、只读文件、读写文件（4）按文件的逻辑结构分类–有结构文件、无结构文件（5）按文件的物理结构分类–顺序文件、链接文件、索引文件（6）按照文件的内容分类–普通文件、目录文件、特殊文件55．．文文件件系系统统模模型型文件系统是指含有大量文件及其属性说明的，对文件进行操纵和管理的，向用户提供使用接口的软件集合。图4-1表示了文件系统的模型。它分为三个层次–最低层是对象及其属性说明；–中间层是对对象进行操纵和管理的软件集合；–最高层是文件系统提供给用户的接口。44..22文文件件的的组组织织文件的组织是指文件的构造方式，即文件的结构。对任何一个文件，都存在着两种形式的结构：逻辑结构和物理结构。4.2.1文件的逻辑结构4.2.2文件的物理结构4.2.3记录的成组和分解44..22..11文文件件的的逻逻辑辑结结构构1．文件逻辑结构的概念2．文件逻辑结构的形式11．．文文件件逻逻辑辑结结构构的的概概念念文件的逻辑结构（FileLogicalStructure）是用户用户组织文件时可见的结构，即用户所观察到的文件组织形式。文件的逻辑结构是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于物理特性，又称为文件组织。选择文件的逻辑结构主要有以下原则：–（1）提高检索效率–（2）便于修改–（3）降低文件存储费用–（4）便于用户操作22．．文文件件逻逻辑辑结结构构的的形形式式文件的逻辑结构从形式上分为两类：–有结构的记录式文件：在记录式文件中，所有的记录通常都是属于一个实体集的，有着相同或不同数目的数据项。记录的长度可分为定长和不定长两类。–无结构的流式文件是指由字符流构成的文件。流式文件内的数据不再组成记录，只是一串字节。对流式文件的存取需要指定起始字节和字节数。44..22..22文文件件的的物物理理结结构构1．文件物理结构的概念2．文件物理结构的形式3．文件的访问方式11．．文文件件物物理理结结构构的的概概念念文件的物理结构，又称为文件的存储结构，它是指文件在外存上存储时的组织结构。文件的物理结构与存储介质的物理特性及用户对文件的访问方式有关。文件的物理结构通常划分为大小相等的物理块，也称为物理记录。它是文件分配及传输信息的基本单位。物理记录的大小与物理设备有关，与逻辑记录的大小无关。22．．文文件件物物理理结结构构的的形形式式三种文件物理结构组织文件：–顺序结构：顺序结构将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中。–链接结构：链接结构将文件存放在外存的若干个物理块中，这些物理块不必连续，并且在每一个物理块中设一个指针，指向下一个物理块的位置，从而使得存放同一个文件的物理块链接起来。–索引结构：将文件存放在外存的若干个物理块中，并为每个文件建立一个索引表，索引表中的每个表目存放文件信息的逻辑块号和与之对应的物理块号。33．．文文件件的的访访问问方方式式（1）顺序访问–是指用户从文件初始数据开始依次访问文件中的信息。对记录式文件意味着按记录的编号从小到大进行存取，对流式文件则意味着对文件从头至尾进行存取。顺序访问的特点是访问速度快，不需要计算访问信息的位置，适合于数据的统计和汇总等。（2）直接访问（随机访问）–直接访问是指用户随机地访问文件中的某段信息。要支持用户以直接访问方式访问文件，文件必须存放在可以支持快速定位的随机存储设备中。44..22..33记记录录的的成成组组和和分分解解1．记录的成组–是指把若干条逻辑记录合并成一组存入一个物理块的过程。2．记录的分解–是指从一条物理记录中把逻辑记录分离出来的过程。44..33文文件件的的存存储储设设备备4.3.1文件存储设备的类型4.3.2磁盘的驱动调度算法4.3.3存储空间的分配与回收4.3.4存储空间的分配举例44..33..11文文件件存存储储设设备备的的类类型型1．顺序存储设备2．直接存储设备11．．顺顺序序存存储储设设备备顺序存储设备是按信息的物理位置进行定位和读/写操作的存储设备。在顺序存储设备中，只有前面的物理块被存取之后，才能存取其后的物理块。磁带就是一种典型的顺序存取设备。【例4-1】假定磁带记录密度为每英寸800字符，每一逻辑记录为160字符，块间隙为0.6英寸。今有1500个逻辑记录需要存储，试计算磁带的利用率？若要使磁带空间利用率不少于50%，至少应以多少个逻辑记录为一组？这说明了什么问题？22．．直直接接存存储储设设备备是允许文件系统直接存取对应存储介质上的任意物理块的存储设备。磁盘就是典型的直接存储设备。由于磁带是一种顺序存储设备，用它存储文件时应采用顺序结构存放，顺序存取时效率较高。磁盘是直接存储设备，三种文件物理结构都可采用，实际存储时可根据文件的使用情况来确定。如果文件是顺序存取的，采用顺序结构和链式结构都可以；若采用直接存取方式且文件大小不固定，应采用索引方式，若文件大小固定，也可以采用顺序结构。22．．直直接接存存储储设设备备【例4-2】某软盘有40个磁道，磁头从一个磁道移到另一个磁道需要6ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均距离为13磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为100ms、25ms，问读取一个100块的文件需要多少时间？如果系统对磁盘进行了整理，让同一个磁盘块尽可能靠拢，从而使逻辑上相邻的数据块的平均距离降为2磁道，这时读取一个100块的文件需要多少时间？44..33..22磁磁盘盘的的驱驱动动调调度度算算法法1．移臂调度–（1）先来先服务（FCFS）–（2）最短寻道时间优先（SSTF）–（3）扫描算法（SCAN）或电梯调度算法–（4）循环扫描算法（CSCAN）2．旋转调度（（11））先先来来先先服服务务（（FFCCFFSS））先来先服务调度算法是按请求访问者的先后次序启动磁盘驱动器，而不考虑它们要访问的物理位置。采用这种调度算法，只需要对访问磁盘的作业排队，新来的访问者排在队尾，始终从队首取出访问者访问磁盘，直到该队列为空。（（22））最最短短寻寻道道时时间间优优先先（（SSSSTTFF））最短寻道时间优先调度算法总是让离当前磁道最近的请求访问者启动磁盘驱动器，即是让查找时间最短的那个作业先执行，而不考虑请求访问者到来的先后次序，这样就克服了先来先服务调度算法中磁臂移动过大的问题。采用这种调度算法，需要为请求访问磁盘的作业设置一个队列，随着当前磁道的改变，不断计算后续访问者与当前磁道的距离，让距离最短的访问者访问磁盘，新的当前磁道为最新访问的磁道。（（33））扫扫描描算算法法（（SSCCAANN））或或电电梯梯调调度度算算法法扫描调度算法总是从磁臂当前位置开始，沿磁臂的移动方向去选择离当前磁臂最近的那个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求访问时，就改变磁臂的移动方向。在这种调度方法下磁臂的移动类似于电梯的调度，所以它也称为电梯调度算法。采用这种调度算法，需要为访问者设置两个队列，根据磁头的移动方向，能访问到的访问者由近及远排队，背离磁头移动方向的访问者也由近及远排为另一队。先按磁头移动方向队列调度访问者访问磁盘，当该方向没有访问者时，再改变方向，选择另一个访问者队列访问磁盘。（（44））循循环环扫扫描描算算法法（（CCSSCCAANN））循环扫描调度算法是在扫描算法的基础上改进的。磁臂改为单项移动，由外向里。当前位置开始沿磁臂的移动方向去选择离当前磁臂最近的哪个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求访问时，再回到最外，访问柱面号最小的作业请求。22．．旋旋转转调调度度旋转调度采用的是延迟时间最短者优先算法。当磁臂定位后，等待访问该柱面的若干个访问者可能要求访问同一磁道上的不同扇区，也可能要求访问不同磁道上的扇区。旋转调度总是对先到达磁头位置上的扇区进行信息传送操作，若访问的扇区号相同，则应分多次进行旋转调度。磁磁盘盘的的驱驱动动调调度度算算法法举举例例【例4-3】若磁头的当前位置为100磁道，磁头正向磁道号增加的方向移动。现有一磁盘读写请求队列：23、376、205、132、19、61、190、398、29、4、18、40。若采用先来先服务、最短寻道时间优先和扫描（电梯调度）算法，试计算平均寻道长