第八章文件管理.ppt

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1、第八章 文件管理,8.1 文件系统的概念 8.2 文件的逻辑结构与存取方法 8.3 文件的物理结构 8.4 辅存空间的管理 8.5 文件目录管理 8.6 文件的共享与存取,8.1 文件系统的概念,8.1.1 文件系统的引入,1、文件存储器：现代OS提供了文件存取和管理信息的机构，它把大容量 辅存设备作为存放文件的存储器，称为文件存储器。,2、文件存储器必须完成如下工作：,对磁盘等辅存空间（文件空间）进行统一管理。 提供一个用户可见的文件逻辑结构，用户按照文件逻辑结构进行信息的存取和加工。 文件在存储设备上应按一定的顺序存取。 实现对存放在存储设备上的文件信息的查找。 实现文件共享，提供信息保护

2、功能。,8.1.2 文件和文件系统,文件：具有符号名的一组相关信息的集合。,文件系统：OS中与文件管理相关的软件和需要的数据结构，相应的管理 软件和被管理的文件构成。是OS中一个重要的模块或者一段 重要的软件，用于管理系统当中的文件。,a、从系统角度看 它主要管理的文件存储器的存储空间。文件系统是对文件的存储空间进行组 织、分配，负责文件的存储并对文件进行保护、检索的系统。,b、从用户角度看 文件系统实现了对相关信息的按名存取。,文件系统的特点： （1）良好的用户接口 （2）用户透明性，实现文件按名存取。 （3）文件可以被共享 （4）大容量存储介质保证了文件系统可以存放大量信息。,8.1.3文

3、件的分类,1、按用途分类：,a、系统文件：不允许用户修改，用户只能通过系统调用去执行这些文件。,b、库文件：由系统提供给用户使用的各种标准过程、函数和应用程序。允许用 户调用，不允许修改的文件。,c、用户文件：用户委托文件系统保存的文件，只允许文件的拥有者或授权用户 使用。,2、按文件保护级别分类：,a、只读文件,b、读写文件,3、按信息流向分类：,a、输入文件：信息流从计算机外部向内部的文件。,b、输出文件：信息流从计算机内部向计算机外部的文件。,c、输入输出文件：既具备了输入，也具备了输出功能的文件。,4、按文件组织形式分类：,a、普通文件：用户可以打开，可以进行操作的文件。,b、目录文件

4、：专门为了管理文件系统而采用的文件，所以它记录了文件系统中 基本的映射关系，也就是文件名和具体的文件实体它们之间怎样 进行对应。,c、设备文件：,8.2 文件的逻辑结构与存储方法,文件的逻辑结构是普通用户看到的文件组织形式，也是普通用户定义文件 时所定义的文件的形式。,8.2.1 文件的逻辑结构,文件的逻辑结构的两种形式：记录式文件和流式文件,1、有结构文件（记录式文件）： 从逻辑上讲，记录式文件是一组连续顺序的记录的集合。记录的长度 是指一个记录中包含的字节个数，可以分为定长记录和变长记录。,2、无结构文件（流式文件）： 从逻辑上讲，记录式文件是一组相关的有序字符的集合。文件长度 就是文件包

5、含的字符个数。UNIX文件的逻辑结构就是采用流式文件 结构。,8.2.2 文件的存储方法,文件的存储方法由文件的性质何用户使用文件的情况决定，按存取 次序划分，存取方法包括：顺序存取和直接存取（随机存取）,顺序存取严格按照信息排放的信息依次存取，在记录式文件中，顺序 存取反映为按记录的排列顺序来存取。在流式文件中，顺序存取反映为 当前读写指针的变化。,8.3 文件的物理结构,8.3.1 文件的物理结构,指文件在存储设备上的存放方法。指的是从系统管理员的角度他所 看到的文件的组织形式。,常见的文件物理结构：,1、连续文件：文件本身的存储物理上是相邻的。它将一个在逻辑 上连续的文件信息依次存放在外

6、存联系的文件块中,文件说明信息,物理块号,逻辑块号,图：连续文件,2、串联文件（直接文件）：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。,文件说明信息,物理块号,逻辑块号,图：串联文件,优点：可以解决外存的碎片，文件的动态增长也很方便 缺点：只能按文件的指针链顺序访问，查找效率低。,3、索引文件：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所在的逻辑块号 和与之对应的物理块号。,文件说明信息,图：索引结构,15,15,15,15,间接索引

7、（多重索引）如下图：,A文件目录项,图：多重索引,文件目录,文件信息,. . .,. . .,. . .,. . .,UNIX系统的多重索引结构：,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,. . .,8.3.2 文件的物理结构比较,1、连续文件的优缺点,优点：连续文件不需要额外的空间开销，只要在目录中指出起始 块号和文件长度，就可以对文件进行访问。,缺点：（1）不能动态增长 （2）一开始就提出文件长度要求，而用户预先提出文件长度 不太容易。 （3）一次要求比较大的存储空间，不易分配。如果外存上只 有许多小的自由空间，虽然其总容量大于文件的要求， 但由

8、于不连续，这些空间不可用。,2、串联文件和索引文件克服了连续文件的缺点，但也存在以下问题：,由于在处理文件的一部分时必须顺序访问，因而在时间上较浪费。 对于块链接，每个块中都要有链接字；对于索引，每个磁盘块在索引中占一个字。所以，这些文件的物理存储空间浪费太大。,8.4 辅存空间的管理,8.4.1 空闲文件目录,将文件存储设备上的每个连续空闲区看作一个空白文件，系统为所有空白文件单独建立一个目录，每个空白文件在这个目录中占一个表目。,具体实现：把磁盘上空闲块的块号集中放在一个空闲文件目录的物理块号。 空闲文件目录的每个表项对应一个或多个空闲块构成的空闲区， 包括：空闲块个数和第一个空闲块号。,

9、8.4.2 空闲块链,是一种常用的辅存空间管理办法。它把文件存储器上的所有空闲块链接到一起。,空闲块申请：分配程序从链头开始摘取需要的空闲区。,回收空闲块：把空闲块依次插入链尾。,8.4.3 位示图,系统在内存中建立一张位示图，用以反映存储设备的使用情况。,位,字,位示图示例,例：,有一磁盘组共有10个盘面，每个盘面上有100个磁道，每个磁道有16 个扇区。假定分配以扇区为单位，若使用位示图管理磁盘空间,问：（1）位示图需要占用多少空间？ （2）若空白文件目录的每个表目占用5个字节，则什么时候空白 文件目录大于位示图？,例：,假设磁带记录密度为每英寸800字符，每一逻辑记录为160个字符，块

10、间隙为0.6英寸。今有1500个逻辑记录需要存储。,问：（1）计算磁带利用率。 （2）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？,8.5 文件目录管理,一个计算机系统有若干个文件，为了便于对文件进行存取和管理，每个 计算机系统都有一个目录用于标识和找出用户与系统进程可以存取的全 部文件。文件目录中应存放每个文件的有关信息，也就是所每个文件在 文件目录中都应该有一个表目。,由于目录本身是被查找和修改的对象，因此文件系统把目录也作为一个 文件来处理。因此文件系统是利用目录文件实现对文件的按名存取以及 对文件信息的共享与保护。,最简单的文件目录应包括 文件名和物理地址。 较复杂

11、的文件目录表应包括： 文件名；物理地址；文件在辅存的物理组织形式（顺序、链接、 索引等）；文件大小以及逻辑组织的有关信息；文件共享的存取 控制说明。,8.5.1 一级文件目录,管理文件目录的最简单办法是一级文件目录。把系统中的所有文件都建立在一张 目录表中，整个目录组织是个线性表。,目录文件的建立与撤销,1、当建立一个新文件时，就在目录表中增加一个新的表目。 2、撤销一个文件时，首先重目录表中找到该文件的目录项，从中找到物理地址 对它们进行回收，就在该目录中将此文件相对应的表目中的信息消掉即可。 3、当对文件进行访问时，系统首先按文件名去查目录表以确定该文件是否存在。 如存在则找出文件的物理地

12、址，进而完成对文件的操作。,缺点：,系统有很多文件，每个文件一个表目。如果从目录表中找一个文件，要扫描整个文件目录表，浪费时间。 一级目录结构的文件系统解决不了多用户环境下的文件命名冲突。,8.5.2 二级文件目录,是一个主目录文件和它管辖的若干个子目录组成。主文件目录说明了谁是文件的 拥有者，记录用户名及相应用户所在的存储位置；用户文件目录说明了从属哪个 主用户文件目录 ，记录了该用户文件的文件控制块信息。,主文件目录的MFD系统目录,Y.c,Xia.c,Y.c,Fu.c,Wang的UFD,Zang的UFD,二级目录文件的建立与撤销,1、当建立一个新文件时，系统为其在主目录表中增加一个新的表

13、目。并为其分配 一个存放二级目录（用户文件目录）的存储空间，同时在二级目录中为新文件 分配一个表目，然后在该表目中填入相关信息。 2、当用户访问一个文件时，系统先按用户名在主目录文件中找到该用户的目录， 再根据文件名在用户的目录中找出该文件的物理地址，进而完成对文件的访问。,缺点：,不能将文件加以分类 如果一个用户的文件较多时，查找速度较慢。,优点：,可以解决文件重名和文件共享问题。 获得较高的搜索速度。,8.5.3 多级文件目录,将二级目录加以推广，形成多级目录也称为树形目录结构。文件系统的目录结构 组成一个倒生长的树。第一级目录称为根目录，非叶子节点为目录文件（子目录） 叶子节点为文件。,

14、Id=1,子目录a,子目录b,根目录,Id=2,Id=4,Id=8,Id=9,Id=5,Id=6,Id=10,Id=11,Id=12,Id=13,Id=7,Id=3,子目录c,子目录d,子目录e,多级目录结构的缺点：,查找费时，浪费时间 增加了通道的压力。,多级目录结构的优点：,层次清楚：不同性质，不同用户的文件可以构成不同的子树，便于管理。不同层次，不同用户的文件可以被赋予不同的存取权限有利于文件共享 解决了文件重名文件:文件在系统中的搜索路径是从根开始到各文件名为 止的各文件名组成，因此只要在同一子目录下的文件名不重复，就不会由文件重名而引起混乱。 查找速度快：由于对多级目录的查找每次只查

15、找目录的一个子集，所以比单级目录，多级目录查询时更快。,1,2,3,4,7,8,9,10,11,12,13,5,6,目录组织的改进符号文件目录和基本文件目录,由于前面提到的目录组织，基本上是文件描述符的集合。而文件描述符包括：各 文件的文件名，内部标识符，文件逻辑和物理组织形式，存取控制信息和用户的 各种信息等。因此一个文件描述符就要占很多空间，这样存放目录的盘物理块放 不了几个目录。为了找到一个文件在目录中的表目，就要很多次读入目录所在的 物理块进行查寻。因此降低了查找效率；增加了I/O通道的压力。由于考虑到系统 查寻目录时只使用文件名进行查寻而与外交描述符中其他信息无关，所以把文件 名与外

16、交描述符中其他信息分开成为2个部分：符合文件目录和基本文件目录,文件系统的树形结构,符号文件目录：包括文件名与文件内部标识符,基本文件目录：包括文件描述符中所有其他信息，并且各文件在基本文件目录中的 表目是按文件的内部标识符由从小到大进行排序的。,符号文件目录和基本文件目录的优点：,查找目录时命中率高。,第一物理块的地址,Id3,Id4,Id5,例：,假定磁盘块的大小为1K,对于540M的硬盘，其文件分配表FAT需要占用 多少存储空间？当硬盘容量为1.2G时，FAT需要占用多少空间？,文件分配表FAT时一个数据结构，用在以链接方式存储文件的系统中 记录磁盘分配和跟踪空白磁盘块。该表整个磁盘仅设

17、一张，其结构如 下图。表的序号是物理块号，从0开始到N-1（N为盘块总数）。在每 个表项中，存放下一个盘块号（即表项的内容为存放文件数据的下一 个盘块号）。文件的首地址（第一个盘块号）存放在目录中。因此， 从目录中找到文件的首地址后，就能找到文件在磁盘上的所有存放地 址。,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,8.6 文件的共享与存取,文件的共享指不同的用户可以使用同一文件，可以节省大量的辅存空间和主存 空间。但是文件的共享并不意味着用户可以不加限制地随意使用文件，那样文 件的安全性和保密性难以实现。,文件共享的条件：,（1） 如何实现共享 a) 由系统实现对文件的共享：当用户指导要共

18、享文件的目录时， 可以通过提供从根目录出发的路径名来共享这些文件。 b) 对需共享的文件进行链接，即一个目录中的表目直接指向另一个 目录的表目，实现在用户自己的符合文件目录中对欲共享的文件 建立起相应的表目称为链接。,（2） 对需共享文件的用户进行存取控制。,文件的保护措施：,1、存取控制矩阵：是一个二维矩阵，一维列出使用该文件的全部用户，另一维 列出全部文件。,用户,文件,用户向文件系统提出存取请求时，由存取控制验证模块，根据矩阵将本次请求 和用户对这个文件的存取权限进行比较。如果不匹配，拒绝执行。,存取控制矩阵的缺点：,存取控制矩阵占用空间太大。 查找费时。,2、存取控制表：由于一个文件只

19、与特定的几个用户有关，而与其他用户无关 因此按用户对文件的访问权限的差别对用户进行分类。UNIX 中： （1）文件主；（2）同组用户；（3）一般用户。,文件主,同组用户,一般用户,R,W,E,R,W,E,R,W,E,3、口令：用户为每个自己的文件规定一个口令，放在文件目录中的相应表目中， 并把该口令告诉允许共享该文件的其他用户。用户请求访问某文件时， 首先提供该文件的口令，经证实后再进行相应的访问。,4、密码：用户创建源文件并将其写入存储设备时对文件进行编码加密，在读出 文件时进行译码解密。当用户存入一个文件时利用一个代码键来启动 一个随机发生器产生一系列随机数，编码程序将这些随机数依次加到 文件的字节上去，译码时减去这些随机数。,