操作系统原理第9章文件管理

操作系统原理OperatingSystemPrinciples四川大学计算机学院段磊[e-mail]2014第9章文件管理存储在外存上的信息的组织形式是文件文件系统是操作系统中管理信息资源的软件说明存储文件及其属性控制和管理文件提供文件使用接口安全实现文件的共享与保护磁盘是重要的外存2020/2/25《计算机操作系统》-第9章3/138本章目录9.1文件和文件的属性9.2文件结构和文件实现9.3文件系统9.4目录管理9.5磁盘存储器管理9.6文件系统性能和可靠性9.7文件的共享和保护2020/2/25《计算机操作系统》-第9章4/138本章目录9.1文件和文件的属性9.2文件结构和文件实现9.3文件系统9.4目录管理9.5磁盘存储器管理9.6文件系统性能和可靠性9.7文件的共享和保护2020/2/25《计算机操作系统》-第9章5/1389.1.1文件的概念数据项基本数据项：可命名的最小逻辑单位/字段组合数据项：由若干基本数据项组成基本数据项的类型和数据记录一组相关数据项的集合关键字：能唯一地标识出记录的基本/组合数据项文件由文件名标注的一组信息的结合用于逻辑上描述存储在外存上的数据2020/2/25《计算机操作系统》-第9章6/138文件的概念文件的存取方法所谓文件的存取方法，是指读写文件存储器上的一个物理块的方法，是指操作系统为用户程序提供的使用文件的技术和手段。文件的存取方法不仅与文件的性质有关，而且与用户使用文件的方式有关。通常有3类存取方法：顺序存取法、直接存取法和按键存取法。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章7/138文件的概念文件的存取方法顺序存取法：严格按物理记录排列的顺序依次存取直接存取法：允许用户随意存取文件中的任何一个物理记录，而不管上次存取了哪一个记录。按键存取法：实质上也是直接存取法，它不是根据记录编号或地址来存取，而是根据文件中各记录内容进行存取的。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章8/138文件系统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2020/2/25《计算机操作系统》-第9章9/1389.1.2文件的分类按用途分类：–系统文件，用户文件，库文件。–（用户对以上三者的访问权限不同）按文件中的数据形式分类–源，目标，可执行。存取控制–E，R，R/W2020/2/25《计算机操作系统》-第9章10/138文件的分类逻辑结构有结构（记录式）无结构（流式）物理安排顺序文件：数据（连续放）链接文件索引文件保存期限临时文件永久文件档案文件2020/2/25《计算机操作系统》-第9章11/1389.1.3文件的属性属性的含义文件类型文件长度文件物理位置文件建立时间……2020/2/25《计算机操作系统》-第9章12/138文件的属性常见文件属性及其含义保护：谁可以存取文件、以什么方式存取文件口令：存取文件需要的口令创建者：文件的创建者ID所有者：当前所有者只读标志：0表示读/写；1表示只读隐藏标志：0表示正常；1表示不在列表中显示系统标志：0表示普通文件；1表示系统文件2020/2/25《计算机操作系统》-第9章13/138文件的属性常见文件属性及其含义存档标志：0表示已经备份；1表示需要备份ASCII/二进制标志：0表示ASCII文件；1表示二进制文件随机存取标志：0表示只允许顺序存取；1表示随机存取临时标志：0表示正常；1表示进程退出时删除文件加锁标志：0表示未加锁；1表示已加锁记录长度：1个记录中的字节数键的位置：每个记录中键的偏移量2020/2/25《计算机操作系统》-第9章14/138文件的属性常见文件属性及其含义键的长度：键字段的字节数创建时间：文件创建的日期和时间最后一次存取时间：文件上一次存取的日期和时间最后一次修改时间：文件上一次修改的日期和时间当前大小：文件的字节数最大长度：文件可能增长到的字节数2020/2/25《计算机操作系统》-第9章15/138本章目录9.1文件和文件的属性9.2文件结构和文件实现9.3文件系统9.4目录管理9.5磁盘存储器管理9.6文件系统性能和可靠性9.7文件的共享和保护2020/2/25《计算机操作系统》-第9章16/138人们常以两种不同的观点去研究文件的结构。用户的观点主要研究观察到的文件组织形式，用户可以直接处理其中的结构和数据常被称为逻辑结构实现的观点主要研究存储介质上的实际文件结构，是指文件在外存上的存储组织形式常被称为物理结构或存储结构9.2.1文件的逻辑结构2020/2/25《计算机操作系统》-第9章17/138人们常以两种不同的观点去研究文件的结构。用户的观点主要研究观察到的文件组织形式，用户可以直接处理其中的结构和数据常被称为逻辑结构实现的观点主要研究存储介质上的实际文件结构，是指文件在外存上的存储组织形式常被称为物理结构或存储结构无论是逻辑还是物理结构都会影响到文件的检索速度9.2.1文件的逻辑结构逻辑结构的概念：用户所能观察和访问到的文件的数据结构组织独立于物理特性，容易检索和修改。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章18/138文件的逻辑结构有结构文件：记录式文件无结构文件：流式文件以字节为单位，利用读/写指针进行访问a类：定长记录变长记录b类：连续文件：按照记录生成时间顺序文件：通常是定长记录索引文件：索引顺序文件：顺序组织多个组，每组记录中的第一个记录设置一索引项。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章19/138文件的逻辑结构顺序文件逻辑记录的顺序按记录录入的时间排:串结构按关键字排序：顺序结构后一种情况更有利于提高查询速度对顺序文件的读/写操作定长记录顺序文件：例：顺序读易于定位，甚至可随机读取。变长记录：不易定位，只能顺序读取。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章20/138文件的逻辑结构顺序文件-评价批处理时效率是所有逻辑文件中最高的可存在于磁带上交互应用时“效率低”（如要查找单个记录），尤其是对变长记录的顺序文件增加、删除记录涉及到排序问题，开销大事务文件(log)，用于存放将更新到主文件的记录2020/2/25《计算机操作系统》-第9章21/138文件的逻辑结构索引文件由变长记录组成的顺序文件不容易直接存取，因此考虑为其建立一有序的索引表，对索引采用折半查找，速度更快特点：提高了速度，增加了存储开销（存放索引文件）增、删记录时，对索引表作相应的修改。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章22/138文件的逻辑结构索引顺序文件将顺序文件中若干记录分为一组，每组第一项在索引表中占一项。速度：例1：10000个记录顺序文件：5000次查找索引顺序文件：设100个记录一组，索引表的找法设为顺序法的情况下，则查找次数为50+50=100例2：1000000个纪录：低级索引：（100个纪录一组）：10000高级索引：100速度：50+50+50=1502020/2/25《计算机操作系统》-第9章23/1389.2.2文件的物理结构在采用连续分配方式时，可把逻辑文件中的记录顺序地存储到邻接的各物理盘块中，这样所形成的文件结构称为顺序文件结构，此时的物理文件称为顺序文件。这种分配方式保证了逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序的一致性。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章24/138文件的物理结构顺序文件（连续分配）每个文件分配一组相邻盘块。特点：简单顺序访问容易且速度快，因磁头移动距离小，要求连续空间，一段时间后需整理磁盘以消除外部碎片。必须事先知道长度，文件不易动态增长和删除。文件对应目录项（属性）中包含：始址、总块数、最后一块字节数。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章25/138文件的物理结构顺序文件（链接分配）文件离散地分配于各盘块中，以提高外存利用率，文件长度可变，易于增删，只能顺序存取。对应目录项：链表的首指针评价-优点：避免了顺序文件要求连续分配存储空间的问题，消除了物理块的外部“碎片”，外存利用率更高。通过指针将物理块链接在一起，使得文件的逻辑记录顺序与外存中记录的物理放置完全独立开来，克服了外存连续分配不能适应文件增长和缩短的缺点。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章26/138文件的物理结构评价-缺点：每次文件的访问总是从文件的第1个物理块开始，沿链接指针得到其他的物理块。如果需要访问第B块，则每次总是要从第1个物理块开始，直到第B块，花费的时间很长链接指针信息的存放需要存储空间，使得存储器可利用空间减少需要更多的磁盘寻道次数和更长的磁盘寻道时间链接指针的可信度是影响该方法的关键。操作系统可能会由于系统软件或硬件发生故障，导致链接指针丢失或出错，最终引起文件内容丢失或出错2020/2/25《计算机操作系统》-第9章27/1389.2.2文件的物理结构索引文件（索引分配）单级索引分配链接分配方式虽然解决了连续分配方式所存在的问题，但又出现了下述另外两个问题：不能支持高效的直接存取。要对一个较大的文件进行直接存取，须首先在FAT中顺序地查找许多盘块号FAT需占用较大的内存空间2020/2/25《计算机操作系统》-第9章28/138文件的物理结构将每个文件所对应的盘块号集中地放在一起索引分配方法就是基于这种想法所形成的一种分配方法它为每个文件分配一个索引块(表)，再把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引块中，因而该索引块就是一个含有许多盘块号的数组在建立一个文件时，只需在为之建立的目录项中填上指向该索引块的指针多级索引的概念2020/2/25《计算机操作系统》-第9章29/1389.2.3文件的实现顺序存取：按照文件逻辑记录的顺序进行文件读/写操作的存取方式为顺序存取方式。直接存取：也称为随机存取，指用户按照记录的编号进行文件存取时，根据存取命令，把读写指针直接移到读写处进行操作。直接存取适合磁盘文件。索引存取：也称为关键字存取。以索引作为文件记录的指针，对文件进行存取。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章30/1389.2.4文件的操作对文件的操作创建文件删除文件打开文件读文件写文件关闭文件对目录的操作读操作写操作查找修改插入删除2020/2/25《计算机操作系统》-第9章31/138文件的操作用户的文件交系统管理后，为保证文件的安全、可靠，用户使用文件的操作步骤如下：读一个文件信息时，依次调用：“打开”文件“读”文件“关闭”文件写一个文件信息时，依次调用：“建立”文件“写”文件“关闭”文件2020/2/25《计算机操作系统》-第9章32/138本章目录9.1文件和文件的属性9.2文件结构和文件实现9.3文件系统9.4目录管理9.5磁盘存储器管理9.6文件系统性能和可靠性9.7文件的共享和保护2020/2/25《计算机操作系统》-第9章33/1389.3.1文件系统及其功能1．文件系统操作系统中管理信息资源的软件实现文件及其属性说明的存储实施对文件的控制和管理保证对文件的共享和保护提供用户使用文件的接口主要包含:文件、管理文件的目录以及分区。文件目录对文件系统中的文件进行组织，提供系统中所有文件的属性和管理控制信息。分区用于划分目录，实现目录的组织形式。2020/2/25《计算机操作系统》-第9章34/138文件系统及其功能2．文件系统的功能实现文件按名存取；提供用户对文件的访问和操作；实现逻辑文件到物理文件的映射；实现文件目录的建立和维护；有效组织和管理文件存储空间；