《操作系统原理》第五章 文件系统

操作系统原理第五章文件系统操作系统原理内容提要概述文件目录文件系统文件系统的实现文件系统的安全性和保护机制2内容提要操作系统原理概述计算机系统中涉及的另一类资源是软件资源。这包括系统和用户的各种程序和数据。这些程序和数据存放在不同的文件存储介质中，用户和系统要频繁地对它们进行访问，如何即使存储的信息安全可靠，又能让每个用户方便地存取这些信息呢？这正是文件系统要实现的功能。对文件系统的三个基本要求：能够存储大量的信息长期安全地保存信息可以共享信息。3概述操作系统原理文件文件：是指具有符号名的数据信息的集合文件名：就是文件的符号名4把文件看作是命名了的字符串集合把文件看作是命名了的相关记录集合12操作系统原理文件的分类按文件用途分类系统文件：有关操作系统及有关系统所组成文件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用户文件：用户的程序代码、数据按文件中的数据分类源文件：源代码、数据文件相对地址目标文件：编译（compile)等产生逻辑地址，需要重定位可执行程序文件：相对地址目标文件相互链接（link)生成的可执行文件，逻辑/绝对地址5操作系统原理文件的分类（2）按文件的保护方式分类只读文件:r—读写文件:rw-无保护文件:rwx6操作系统原理文件的分类（3）按文件保存时间分类临时文件：批处理中从作业开始运行到作业结束，或是在分时处理中从会话开始到会话终止期间所保存的临时性文件。一旦这些作业终止，其相应的临时文件也被系统自动撤销。永久文件：在用户没有发出撤销该文件的命令前，一直需要在系统中保存的文件。7操作系统原理文件系统提供对文件的操作Open文件，准备访问Close文件，结束文件的使用Create文件，构造一个新文件Destroy文件，删除一个文件Copy文件，产生副本Rename文件，重命名List显示文件-目录文件的内容操作系统原理文件系统提供对文件中数据项的操作Read操作：把文件中一个数据项输入给进程Write操作：进程输出一个数据项到文件中去；Update操作：修改一个已经存在的数据项Insert操作：添加一个已经存在的数据项Delete操作：从文件中删除一个数据项操作系统原理文件的存储和恢复文件系统中不论是硬件还是软件都会发生损坏和错误，为使至关重要的系统文件万无一失，应对保存在外存中的系统文件采取一些保护措施，如：“定期转储”。全量转储（backup)增量转储操作系统原理海量备份和增量备份全量备份：安全，速度慢，可改变恢复时的特性参数，消除磁盘存储碎片，提高读写性能增量备份：分级实现，快速，恢复时需要全部备份资料实际应用中，增量备份和全量备份穿插进行操作系统原理文件的存储和恢复(2)文件的恢复利用转储的文件进行恢复。(restore)操作系统原理内容提要概述文件目录文件系统文件系统的实现文件系统的安全性和保护机制13内容提要操作系统原理目录目录：文件系统层次结构的一个非终结节点，一个目录通常包含有许多目录项，每个目录项可以是一个文件或目录。而文件是文件系统层次结构的一个终结节点，即在文件下不可能再包含文件或目录。目录节点是查询其子节点的路线，通过目录找到目标文件的物理位置等属性目录的作用：按名存取文件。操作系统原理目录的层次结构目录是文件系统的加载点目录是层次结构－树状目录结构文件的绝对路径名：从根目录开始指定全路径的文件名相对路径名：以当前目录为出发点的文件名，当前目录：.父目录：..操作系统原理目录的常见结构形式操作系统原理系统目录树/ericdevvarhomeusrtmpdictionaryapp1dictionary的表示方法：ls/home/eric/dictionarycdhome/eric;ls./dictionarycd/home/eric/app1;ls../dictionary操作系统原理目录的操作与文件非常类似；差别：访问操作、管理操作目录文件：多个文件的目录项构成的一种特殊文件。创建目录删除目录显示目录修改目录操作系统原理内容提要概述文件目录文件系统文件系统的实现文件系统的安全性和保护机制19内容提要操作系统原理文件系统文件系统：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，并且方便用户使用操作系统原理文件系统的功能统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收提供方便的文件访问机制，实现对文件的按名存取（将名字空间映射存储空间）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）操作系统原理文件系统的功能（2）向下提供和I/O设备相一致的接口，向上提供用户需要的相关信息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操作系统原理文件系统服务器文件结构定义文件访问控制安全、保护磁盘空间分配磁盘数据存取磁盘设备防护数据文件磁盘空间映射应用层观点：逻辑抽象物理层观点：空间管理操作系统原理内容提要概述文件目录文件系统文件系统的实现文件系统的安全性和保护机制24内容提要操作系统原理文件的实现-文件的逻辑结构逻辑结构和物理结构对应逻辑结构是用户直接操作的对象文件的逻辑项和物理空间之间有映射关系－文件系统负责这种映射转换操作系统原理文件的实现-文件的逻辑结构（2）顺序结构的定长记录顺序结构的变长记录带关键字的记录26顺序结构的变长记录带关键字的记录顺序/索引存取索引存取顺序结构的定长记录顺序/直接存取无结构的字节流式文件有结构的记录式文件操作系统原理文件的实现－文件的物理结构物理结构的组织应该提高存储空间的利用率，减少存取时间选择物理结构的标准：外存类型，记录使用频率，存取速度要求，关键字数量顺序文件随机文件串联文件操作系统原理顺序文件将一个文件中逻辑上连续的信息存放到若干连续的物理块中，这类文件叫连续文件，又称顺序文件。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28操作系统原理29012345678910111213141516171819202122232425262728293031文件名始址块数count02tr143mail196list284f62文件目录countftrmaillist顺序文件（2）操作系统原理缺点: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30顺序文件（3）操作系统原理随机结构—随机文件随机结构中，文件存放在直接存取型存储设备上，例如磁盘31记录号内容记录号地址项磁盘数据区记录号关键字磁盘数据区F(关键字)直接地址结构索引地址结构索引文件－索引表计算寻址结构：杂凑，HASH算法地址项操作系统原理随机结构—随机文件(2)68893…文件A的文件索引012254链接字登记项…255256509链接字登记项54绝对区号68256字全部用于存放数据信息数据区相对区号0绝对区号893256字相对区号2…绝对区号54256字相对区号509相对区号0相对区号1相对区号2…相对区号509有信息无信息510×256文件A文件A(a)随机文件的物理结构(b)用户观点的随机文件图6-4随机结构文件32操作系统原理链表结构-串联文件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33操作系统原理34文件名始址末址jeep925文件目录01234567891011121314151617181920212223242526272829303111016-125链表结构—串联文件(2)操作系统原理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35链表结构—串联文件(3)操作系统原理文件的组成和文件控制块文件包含：文件控制块FCB＋文件体文件体是文件的正文部分，是用户需要保存和处理的有效数据。（用户关心）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FCB在文件创建时生成，文件操作时动态修改，文件删除时消失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36操作系统原理文件的组成和文件控制块（2）37目录文件名：符号名标志内部名：如，I节点号用户名物理组织：顺序／随机等定位信息物理地址：第一个记录的物理地址、索引表等记录格式：等长／变长历史和测量信息文件性质：临时／永久口令或密码存取属性信息的编码方式：binary/ascii,etc增删说明共享说明供以后扩充的空间文件操作系统原理文件的使用与控制—文件共享定义一个文件被多个用户或程序使用共享形式：被多个用户使用，由存取权限控制被多个程序使用，但各用自己的读写指针被多个程序使用，但共享读写指针目的节省时间和存储空间，减少了用户工作量；进程间通过文件交换信息38操作系统原理文件的使用与控制—文件共享(2)实现方法：链接法和多级目录法链接法：建立主文件目录和用户文件目录，还要建立总目录。在用户文件目录之间实现链接39操作系统原理文件的使用与控制－共享实现(3)丙用户乙用户…甲用户BA…DC…文件3的地址文件2的地址…文件1的地址文件i+1的地址…文件i的地址文件1文件2文件i+1……40操作系统原理文件的使用与控制－共享实现(4)文件目录分成两部分41基本文件目录BFD＋符号文件目录SFD文件的唯一标识符(inode号)结构信息物理地址存取控制管理信息存放文件的符号名和与之对应的唯一标识符(inode号)操作系统原理42操作系统原理活动文件表和活动符号表－(1)根据文件局部性原理，一定时间内对某文件的访问是频繁的将访问的文件的文件控制表的内容放入内存以提高读写/查询速度43＋基本文件目录BFD＋符号文件目录SFD整个文件系统：活动文件表每个用户：活动符号表活动文件表中的表目指针操作系统原理活动符号表与活动文件表－(2)基本文件目录项a基本文件目录项b基本文件目录项c基本文件目录项d系统初始启动－将内部ID=1的基本文件目录和ID=2的主符号目录的信息复制到活动文件表中用户打开文件时，系统将文件的BFD的表目复制到活动文件表中，将SFD的表目复制到活动符号表中基本文件目录BFD＋符号文件目录SFD整个文件系统：活动文件表每个用户：活动符号表活动文件表中的表目指针复制复制44操作系统原理文件使用和控制操作命令建立文件命令输入：文件名，设备号过程：1.在基本文件目录中为其分配一个空表目，并返回一个内部标识号(通常相应于表目序号)；2.在符号文件目录中分配一个空表目，并填入文件符号名与内部标识号；3.调用存储分配程序为文件分配外存空间；4.将其在基本文件目录中的相应表目置初值，并填入物理地址；5.调用打开文件命令将有关表目登入活动文件表和活动符号名表。45操作系统原理文件使用和控制操作命令(2)打开文件命令输入：文件名，设备号过程：1.查找符号文件目录树，以找出该文件的表目。如找到返回该文件的内部标识号，如找不到就转错误处理程序；2.在活动文件表和活动符号名表中为该文件分配一个表目；3.将有关信息填入活动文件表和活动符号名表中，并将该文件的“当前用户数”加1(该数据项在活动文件表中)。46操作系统原理文件使用和控制操作命令(3)读文件命令输入：文件名，设备号，记录／字节数，内存起始地址过程：1.按文件名从活动符号名表和活动文件表中找出该文件的文件描述符内容(即目录表目内容)；2.按存取控制说明检查