概述文件的结构和存取方式文件目录文件系统的实现文件的使...

12020/1/19操作系统概述文件的结构和存取方式文件目录文件系统的实现文件的使用文件系统的可靠性和安全性文件系统的性能问题第四章文件管理22020/1/19操作系统所有的计算机应用程序都要：存储信息，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一、概述32020/1/19操作系统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，保护和实现方法解决方法42020/1/19操作系统用户观点：文件系统如何呈现在其面前：一个文件有什么组成，如何命名，如何保护文件，可以进行何种操作等等操作系统观点：文件目录怎样实现，怎样管理存储空间，文件存储位置，磁盘实际运作方式(与设备管理的接口)等等看待文件的两种观点52020/1/19操作系统（1）文件一组带标识的在逻辑上有完整意义的信息项的序列，这个标识为文件名信息项：构成文件内容的基本单位长度：单个字节，或多个字节文件内容的意义：由文件的建立者和使用者解释1.文件与文件系统62020/1/19操作系统各信息项之间具有顺序关系信息项信息项……...信息项……...信息项编号：01……i……n-1读写指针72020/1/19操作系统文件是一个抽象机制，它提供了一种把信息保存在存储介质上，而且便于以后存取的方法，用户不必关心实现细节文件的特点82020/1/19操作系统是操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用三种理解方式操作系统管理文件的部分一种文件管理的具体格式,如FAT32等一个具体的文件系统,如D:（2）文件系统92020/1/19操作系统给出文件命名规则：长度，数字和特殊字符，大小写区分，支持文件扩展名（一个或多个）例子：.bak.c.f77.gif.hlp.html.mpg.o.ps.tex.txt.zip（3）文件命名102020/1/19操作系统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（4）功能(1)112020/1/19操作系统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）（4）功能(2)122020/1/19操作系统系统维护及向用户提供有关信息文件系统的执行效率文件系统在操作系统接口中占的比例最大，用户使用操作系统的感觉在很大程度上取决于对文件系统的使用效果提供与I/O的统一接口（4）功能(3)132020/1/19操作系统（1）按文件性质和用途分类系统文件：有关OS及有关系统所组成文件用户文件：库文件：标准子程序及常用应用程序组成文件，允许用户使用但不能修改2.文件的分类(1)142020/1/19操作系统（2）按信息保存期限分类临时文件；永久文件；档案文件（3）按文件的保护方式分类只读文件；读写文件；可执行文件（4）按文件的逻辑结构分类流式文件；记录式文件文件的分类(2)152020/1/19操作系统（5）按文件的物理结构分类顺序（连续）文件；链接文件；索引文件（6）UNIX系统将文件分为三类普通文件；目录文件；特殊文件（设备文件，把外部设备也看作文件）文件的分类(3)162020/1/19操作系统普通文件(regular)包含的是用户的信息，一般为ASCII或二进制文件目录文件(directory)管理文件系统的系统文件特殊文件(specialfile)字符设备文件：和输入输出有关，用于模仿串行I/O设备，例如终端，打印机，网络等块设备文件：模仿磁盘UNIX系统的三类文件172020/1/19操作系统1.文件的逻辑结构从用户角度看文件，研究文件的组织形式二、文件的结构及文件存取方式182020/1/19操作系统一条记录一个字节字节序列记录序列树一条记录一个字节字节序列记录序列树192020/1/19操作系统构成文件的基本单位是字符，文件是有逻辑意义的、无结构的一串字符的集合。文件：一个无结构字节序列好处：提供很大的灵活性（1）流式文件202020/1/19操作系统文件是由若干个记录组成，每个记录有一个键，可按键进行查找。记录式文件是有结构的文件。文件：一个固定长度记录的序列，每条记录有其内部结构（2）记录文件212020/1/19操作系统磁盘，磁带，光盘（1）物理块(块)在文件系统中，文件的存储设备常常划分为若干大小相等的物理块。同时也将文件信息划分成相同大小的逻辑块（块），所有块统一编号以块为单位进行信息的存储、传输、分配2.存储介质222020/1/19操作系统（2）磁带永久保存大容量数据顺序存取设备：前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续的物理块的内容存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或用于传递数据的介质232020/1/19操作系统第i块间隙第i+1块磁带的存储格式242020/1/19操作系统直接（随机）存取设备：存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置（3）磁盘252020/1/19操作系统磁道扇区262020/1/19操作系统柱面扇区磁臂磁头272020/1/19操作系统信息记录在磁道上，多个盘片，正反两面都用来记录信息，每面一个磁头所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一个柱面物理地址形式：磁头号（盘面号）磁道号（柱面号）扇区号有关磁盘的术语282020/1/19操作系统磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成，实际存取读写的动作过程是由磁盘驱动控制设备按照主机要求完成的一次访盘请求：读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）292020/1/19操作系统完成过程由三个动作组成：寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输302020/1/19操作系统硬盘又分为两种：固定头磁盘：每个磁道设置一个磁头，变换磁道时不需要磁头的机械移动，速度快但成本高移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变换磁道时需要移动磁头，速度慢但成本低312020/1/19操作系统硬盘的结构和引导区322020/1/19操作系统光盘容量大，速度快，价格便宜，但一般不可写可读写光盘驱动器价格贵，写过程很麻烦光盘的空间结构与磁盘类似（4）光盘332020/1/19操作系统容量大，断电后仍可保存信息，速度较慢，成本较低由两部分组成：驱动部分+存储介质种类很多外存空间组织与地址与存取方式非常复杂I/O过程方式非常复杂（5）外存的特点342020/1/19操作系统用户对外存的使用：读写外存数据用户对外存的要求：方便、效率、安全（6）用户对外存的要求352020/1/19操作系统在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻辑地址和逻辑操作存取速度尽可能快，容量大且空间利用率高外存上存放的信息安全可靠，防止来自硬件的故障和他人的侵权可以方便地共享，动态扩缩，携带拆卸，了解存储情况和使用情况以尽可能小的代价完成上述要求362020/1/19操作系统是从系统的角度来看文件，从文件在物理介质上的存放方式来研究文件（1）连续结构（顺序）文件的信息存放在若干连续的物理块中优点:简单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3.文件的物理结构372020/1/19操作系统012345678910111213141516171819202122232425262728293031012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址块数count02tr143mail196list284f62文件目录countftrmaillist382020/1/19操作系统缺点:文件不能动态增长预留空间:浪费重新分配和移动不利于文件插入和删除外部碎片问题存储压缩技术392020/1/19操作系统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（2）链接结构402020/1/19操作系统文件名始址末址jeep925文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125412020/1/19操作系统缺点：存取速度慢，不适于随机存取可靠性问题，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链接结构的一个变形:文件分配表FAT422020/1/19操作系统一个文件的信息存放在若干不连续物理块中，系统为每个文件建立一个专用数据结构--索引表，并将这些块的块号存放在一个索引表中一个索引表就是磁盘块地址数组,其中第i个条目指向文件的第i块（3）索引结构432020/1/19操作系统012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名索引表地址文件目录Jeep1991611025-1-1-119442020/1/19操作系统优点：保持了链接结构的优点，又解决了其缺点：即能顺序存取，又能随机存取满足了文件动态增长、插入删除的要求能充分利用外存空间452020/1/19操作系统缺点：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462020/1/19操作系统索引表组织:链接模式:一个盘块一个索引表,多个索引表链接起来多级索引: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)中综合模式:472020/1/19操作系统UNIX文件系统采用的是多级索引结构(综合模式)。每个文件的索引表为13个索引项，每项2个字节。最前面10项直接登记存放文件信息的物理块号（直接寻址）482020/1/19操作系统如果文件大于10块，则利用第11项指向一个物理块，该块中最多可放256个文件物理块的块号（一次间接寻址）。对于更大的文件还可利用第12和第13项作为二次和三次间接寻址UNIX中采用了三级索引结构后，文件最大可达16兆个物理块492020/1/19操作系统502020/1/19操作系统存取方式顺序存取方式随机(直接)存取方式4.文件结构、文件存取方式与文件存储介质的关系存储介质物理结构存取方式磁带连续结构顺序存取磁盘连续链接索引顺序顺序顺序随机随机512020/1/19操作系统1.基本概念文件控制块（FCB）：文件控制块是操作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息（文件属性）文件控制块是文件存在的标志三、文件目录522020/1/19操作系统文件名，文件号，用户名，文件地址，文件长度，文件类型，文件属性，共享计数，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后访问日期，口令，文件逻辑结构，文件物理结构文件控制块的内容532020/1/19操作系统文件目录：把所有的FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合目录项：构成文件目录的项目（目录项就是FCB）目录文件：为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，这个文件就叫目录文件文件目录、目录项、目录文件542020/1/19操作系统一级目录结构二级目录结构多级目录结构2.目录结构552020/1/19操作系统（1）一级目录结构为所有文件建立一个目录文件（组成一线性表）优点：简单，易实现缺点：限制了用户对文件的命名文件平均检索时间长限制了对文件的共享562020/1/19操作系统为改变一级目录文件目录命名冲突，并提高对目录文件检索速度而改进目录分为两级：一级称为主文件目录，给出用户名，用户子目录所在的物理位置；二级称为用户文件目录（又称用户子目录），给出该用户所有文件的FCB（2）二级目录结构