计算机操作系统(6)第6章 文件管理

第六章文件管理重点文件系统的基本概念、文件的逻辑结构、文件、记录、数据项的基本概念。外存分配的连续分配、链接分配、索引分配方式。目录管理、文件存储空间管理的功能。知识点掌握：文件的逻辑组织和物理组织的概念及不同的组织形式，文件的目录结构，文件和目录的主要操作。理解：文件的分类，文件的存取控制，UNIX文件系统的主要操作。了解：文件系统的功能，文件存储空间的管理，文件的后备和恢复，管理文件等。第六章文件管理6.1文件和文件系统6.2文件的逻辑结构6.3外存分配方式6.4空闲空间的管理6.5目录管理6.6文件共享与文件保护6.7数据一致性控制第六章文件管理在现代计算机系统中，用到大量的程序和数据，由于内存容量和存储特性的限制，这些内容必须以文件的形式保存在外存。操作系统必须提供对外存的文件管理的功能，即构成文件系统。文件系统中包括文件管理、文件存取、共享和文件保护。文件是具有文件名的若干相关元素的集合。文件系统的管理功能是通过把它所管理的程序和数据组织成一系列文件的方法来实现的。6.1文件和文件系统数据抽象加工信息生产生活组织——数据结构处理——数据库存储——文件系统传输——计算机网络6.1文件和文件系统所有的计算机应用程序都要存储信息和检索信息三个基本要求能够存储大量的信息长期保存信息可以共享信息解决方法：把信息以一种单元，即文件的形式存储在磁盘或其他外部介质上。文件是通过操作系统来管理的，包括：文件的结构、命名、存取、使用、保护和实现方法。6.1文件和文件系统文件管理任务文件管理是软件（程序与数据集合）资源管理，是涉及用户作业和内部硬件管理任务：把存储、检索、共享和保护文件的手段提供给本身和用户，以方便用户及资源利用功能分配与管理外存提供合适的存储方法文件共享，保护解决冲突6.1文件和文件系统文件管理功能分配与管理外部存储器，用户以文件形式存放信息，“按名存取”，文件的机内码与磁盘、光盘等外存地址建立起相对应的联系。提供合适的存储方法，例如，鍵盘命令以及程序中使用系统调用控制。包括文件的创建(Create)、打开(Open)、关闭(Close)、读写(Read/Write)、刪除(Delete,Erase)和重命名或改名(Rename)等。文件的共享与保护，解决文件命名中的冲突和存取权限的控制。6.1文件和文件系统6.1.1文件、记录和数据项6.1.2文件类型和文件系统模型6.1.3文件操作6.1.1文件、记录和数据项数据项最低级的数据组织形式基本数据项。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。它的命名往往与其属性一致。组合数据项。由若干个基本数据项组成的，简称组项。6.1.1文件、记录和数据项记录一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。一个记录应包含哪些数据项，取决于需要描述对象的哪个方面。而一个对象，由于他所处的环境不同可把他作为不同的对象。在诸多记录中，为了能惟一地标识一个记录，必须在一个记录的各个数据项中，确定出一个或几个数据项，把它们的集合称为关键字(key)。或者说，关键字是惟一能标识一个记录的数据项。通常，只需用一个数据项作为关键字。6.1.1文件、记录和数据项文件由创建者所定义的、具有文件名的一组相关元素的集合。有结构文件：由若干个相关记录组成；无结构文件：由字符流构成。文件在文件系统中是一个最大的数据单位，它描述了一个对象集。文件的属性：文件类型。文件长度。文件的物理位置。文件的建立、修改、访问时间。文文文文1文文2…文文n文文文1文文文2…文文文n6.1.1文件、记录和数据项文件控制块（FCB）用于描述和控制文件的数据结构；文件管理程序可借助FCB中的信息对文件施以各种操作。文件控制块中的信息基本信息类文件名文件的物理位置文件的逻辑结构文件的物理结构6.1.1文件、记录和数据项文件控制块中的信息文件控制信息类文件拥有者权限核准用户权限一般用户权限使用信息类文件建立日期文件修改日期6.1.1文件、记录和数据项文件控制块中的信息例，MS-DOS中的文件控制块，其中含有文件名、文件所在的第一个盘块号、文件属性、文件建立日期和时间及文件长度等。FCB的长度为32个字节，对360KB的软盘，总共可包含112个FCB，共占4KB的存储空间。文件名扩展名属性备用时间日期第一块号盘块数6.1.2文件类型和文件系统模型文件类型文件的分类是为了更好地管理和使用，要科学地分门别类，对不同的文件进行不同的管理。这样，不仅提高了文件的存取速度，对文件的共享和保护也有利一般系统级与用户级要进行不同的管理，例如，一个系统文件工作时要读入内存，放在内存的某一固定区，有较高的保护级别，一般用户不允许进入。而一般用户的用户文件是在另外管辖的可用区有空闲时才能被调入指定的内存用户区。许多OS中都把文件类型作为扩展名而缀在文件名的后面，在文件名和扩展名之间用“.”号隔开。常见的文件类型6.1.2文件类型和文件系统模型文件类型按文件的性质和用途系统文件。用户文件。库文件。按文件中数据的形式源文件。目标文件。可执行文件。6.1.2文件类型和文件系统模型文件类型按系统管理员或用户所规定的存取控制属性只执行文件。只读文件。读写文件。按文件的组织形式和系统对其的处理方式普通文件。目录文件。特殊文件。6.1.2文件类型和文件系统模型文件类型按使用情况临时文件。永久文件。档案文件。按存取的物理结构顺序（连续）文件。链接文件。索引文件。6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统负责管理和存取文件信息的软件机构，它是由管理文件所需的数据结构和相应的管理软件以及访问文件的一组操作组成。从系统的角度看：一个负责文件存储空间管理的机构。从用户的角度看：用户在计算机上存储信息、使用信息的接口。6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统文件系统功能用户角度：实现“按名存取”系统角度：对文件存储器的存储空间进行组织、分配、负责文件的存储并对存入的文件实施保护、检索的一组软件的集合文件系统具体功能统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收实现文件的按名存取名字空间映射存储空间6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统文件系统具体功能实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措施向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令，以及提供对文件的操作命令：信息存取、加工等）系统维护及向用户提供有关信息提供与I/O的统一接口。6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统文件系统的优点使用方便，灵活，用户按名存取安全可靠，保护系统和用户提供保密与共享文件系统必须解决的问题如何有效地分配文件存储器的存储空间提供合适的存取方法命名的冲突和文件的共享6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统理想文件系统的特征有效地分配文件存储器的存储空间文件结构和存取的灵活性和多样性具有对用户来说尽可能是透明的机制尽可能达到文件存储装置的独立性存储在文件中的信息的安全能方便的共享公用的文件有效地实现各种文件操作的命令6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统模型文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文文6.1.2文件类型和文件系统模型文件系统模型对象及其属性文件目录磁盘(磁带)存储空间对对象操纵和管理的软件集合对文件存储空间的管理对文件目录的管理用于将文件的逻辑地址转换为物理地址的机制对文件读和写的管理对文件的共享与保护等功能文件系统接口命令接口程序接口6.1.3文件操作对文件的操作可分成两大类：一类是对文件自身的操作，创建一个新文件、删除一个老文件、拷贝一个文件、为文件改名等；另一类是对记录的操作，检索一个文件中的所有记录、检索一个文件中的单个记录等。6.1.3文件操作对记录的操作检索所有的记录。检索一个文件中的所有记录，这种操作主要用于检索时需要涉及到文件中所有记录中的信息情况。检索单个记录。仅检索一个文件中的某个记录。这种操作主要用于面向事务处理的应用中。插入一个记录。将一个新记录插入到一个含有若干个记录的文件中的适当位置。修改一个记录。从文件中检索到一个指定记录后，便可对其中的一个或多个数据项进行修改，然后将修改后的记录在写回文件中。删除一个记录。从已存文件中的删除一个记录。6.1.3文件操作最基本的文件操作创建文件删除文件读文件写文件截断文件设置文件的读/写位置6.1.3文件操作文件的“打开”和“关闭”操作所谓“打开”OPEN，是指系统将指名文件的属性从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号(或称为索引)返回给用户当用户再要求对该文件进行相应的操作时，便可利用系统所返回的索引号向系统提出操作请求。系统这时便可直接利用该索引号到打开文件表中去查找，从而避免了对该文件的再次检索“关闭”(CLOSE)系统调用来关闭此文件，OS将会把该文件从打开文件表中的表目上删除掉6.1.3文件操作其它文件操作文件属性操作改名改变拥有者修改权限查询状态有关目录操作创建目录删除目录改变当前目录实现文件共享的系统调用用于对文件系统进行操作的系统调用6.2文件的逻辑结构6.2.1文件逻辑结构的类型6.2.2顺序文件6.2.3索引文件6.2.4索引顺序文件6.2.5直接文件和哈希文件6.2.1文件逻辑结构的类型文件组织的两种观点用户观点（逻辑结构）：研究的是用户思维中的抽象文件，也叫逻辑文件。其目的是为用户提供一种结构清晰、使用简便的逻辑组织。用户按此去存储、检索和加工处理有关文件信息。实现观点（物理结构）：研究的是存储在物理设备介质上的实际文件，即物理文件。其目的是选择一些性能良好、设备利用率高的物理结构。系统按此和外部设备打交道，控制信息的传输。对逻辑结构的要求提高检索速度便于修改降低文件的存储费用6.2.1文件逻辑结构的类型有结构文件记录式文件按记录长度分定长记录变长记录根据用户和系统管理需要分顺序文件索引文件索引顺序文件无结构文件流式文件其长度以字节为单位采用读写指针来指出下一个要访问的字符如源程序、可执行文件、库函数等文件的长度用记录数目表示。处理方便、开销小，被广泛用于数据处理中可以有效节省存储空间由一系列记录按某种顺序排列。其中的记录通常是定长记录，因而能用较快的速度查找文件中的记录。当记录为可变长度时，通常为之建立一张索引表，并为每个记录设置一个表项，以加快对记录检索的速度。上述两种文件构成方式的结合。它为文件建立一张索引表，为每一组记录中的第一个记录设置一个表项。6.2.1文件逻辑结构的类型文件逻辑结构有结构文件（记录式）无结构文件（流式）定长记录变长记录顺序文件索引文件索引顺序文件6.2.2顺序文件逻辑记录的排序串结构各记录之间的顺序与关键字无关通常由时间来决定存在问题顺序结构文件中的所有记录按关键字(词)排列记录号学号姓名性别出生时间11赵23钱34孙45李56周620吴6.2.2顺序文件对顺序文件(SequentialFile)的读/写操作定长记录顺序文件的读/写操作在读一个文件时，可设置一个读指针Rptr，令它指向下一个记录的首地址，每当读完一个记录时，执行Rptr:=Rptr+L在写一个文件时，也应设置一个写指针Wptr，使之指向要写的记录的首地址。在每写完一个记录时，执行Wptr:=Wptr+L6.2.2顺序文件对顺序文件(SequentialFile)的读/写操作变长记录顺序文件的读/写操作在顺序读或写时的情况相似，但应分别为它们设置读或写指针，在每次读或写完一个记录后，须将读或写指针加上Li。Li是刚读或刚写完的记录的长度。R0