1、第八章 文件管理8.1 文件與文件系統8.2 文件的結構及文件存取方式8.3 文件管理8.4 文件的共享和保護8.1 文件與文件系統 所有的計算機應用程序都要： 存儲信息，檢索信息 三個基本要求： 能夠存儲大量的信息 長期保存信息 可以共享信息8.1 文件與文件系統解決方法： 把信息以一種單元，即文件的形式存儲在磁盤或其他外部介質上文件是通過操作系統來管理的，包括： 文件的結構，命名，存取，使用，保護和實現方法8.1 文件與文件系統用戶觀點： 文件系統如何呈現在其面前： 一個文件由什么組成，如何命名，如何保護文件，可以進行何種操作等等操作系統觀點： 文件目錄怎樣實現，怎樣管理存儲空間，文件存儲

2、位置，磁盤實際運作方式(與設備管理的接口)等等一、文件8.1 文件與文件系統1、文件 計算機系統中數據的一種組織形式，具有一定名稱的一組相關信息的集合，通常存儲在外部存儲介質上。 文件是一個抽象機制，它提供了一種把信息保存在存儲介質上，而且便于以后存取的方法，用戶不必關心實現細節。8.1 文件與文件系統3、文件屬性一個文件包括2部分：文件體 即文件的內容文件體的內容豐富，可以是源程序、可執行代碼、數據、表格、語言或圖像等。文件屬性 關于文件本身的說明信息不同的文件系統有不同的文件屬性，常用的文件屬性有：文件名 文件最基本屬性文件物理位置 哪個設備、什么位置文件存取權限 多用戶系統中用，Linu

3、x中rwx。文件長度 字節文件時間 初創時間、最后修改時間等 . . . . . .8.1 文件與文件系統4、文件類型按性質和用途區分： 系統文件： 系統程序，用戶只有執行權 庫文件： 標準子程序組成庫文件，用戶可調用 用戶文件： 用戶開發的軟件按保護性質區分： 只讀文件 讀寫文件 可執行文件按文件管理方法和內容區分： 普通文件：是無結構的字符的集合。 目錄文件：由文件的目錄項組成的文件。 特殊文件（設備文件） UNIX等把設備作為文件8.1 文件與文件系統文件系統功能：(1)統一管理文件的存儲空間，實施存儲空間的分配與回收(2)實現文件的按名存取 名字空間 映射 存儲空間(3)實現文件信息的

4、共享，并提供文件的保護和保密措施(4)向用戶提供一個方便使用的接口（提供對文件系統操作命令，以及提供對文件的操作命令：信息存取、加工等）8.1 文件與文件系統(5)文件系統的執行效率 文件系統在操作系統接口中占的比例最大,用戶使用操作系統的感覺在很大程度上取決于對文件系統的使用效果.(6)提供與I/O的統一接口8.2 文件的結構及文件存取方式一、文件結構 文件結構：以什么樣的形式組織一個文件文件有兩種結構：邏輯結構：從用戶觀點出發觀察到的文件組織形式，是用戶可以直接處理的數據及其結構，獨立于文件的物理特性物理結構：從系統存儲角度組織的文件結構，即文件以什么形式存放在外存中8.2 文件的結構及文

5、件存取方式2、文件的物理結構文件在外存中的存放形式，即為文件的物理結構常用的外存分配方式有3種：順序結構串聯結構索引結構8.2 文件的結構及文件存取方式1）. 順序結構最簡單方式。每個文件在磁盤上占據一個完整并連續的空間。對于這類文件，每個文件空間是連續的。目錄文件名起始地址文件長度hello.c22a1.c95a.out21301516318.2 文件的結構及文件存取方式2）. 串聯結構（鏈接結構）文件存放在硬盤的不連續的物理塊中，并在每一塊中包含一個指針，指向下一個物理塊所在的位置，最后一塊的指針值是“-1”，表示文件到此結束。這些指針對用戶是透明的。在這種文件系統中，目錄項通常包括文件名

6、、文件的起始塊號和結束塊號。 5-11025419目錄文件名起始地址結束地址hello.c24hello.c 共占6塊 2 5 10 25 19 401531168.2 文件的結構及文件存取方式DOS文件系統采用這種方法。優點：無外部碎片；每一個空閑塊都能用來分配只要有空閑塊存在，文件的增長很容易實現缺點：須多次讀寫磁盤，尋找盤塊；指針要占用空間。 8.2 文件的結構及文件存取方式DOS文件系統采用的串聯結構FAT文件名：A首簇號：13161815FFF1213141516171819FAT數據區 簇號： 12 13 14 15 16 17 18目錄表文件A占用了外存的13、16、15、18共

7、四個簇目錄指出了文件首簇號FAT指出了文件鏈接路徑兩者結合表明了文件數據的具體存放位置文件鏈接結束標志8.2 文件的結構及文件存取方式3）. 索引結構文件存放到硬盤的不連續的物理塊中，系統為每個文件建立一個索引表。其中按物理塊的存放順序記錄了這些物理塊號。其目錄可包括文件名、文件索引塊的地址。 0151631盤塊20存放索引文件，其內容：2、7、13、16、27、-1 hello.c占用了5塊20目錄文件名索引地址hello.c208.2 文件的結構及文件存取方式優點： 避免外部碎片； 文件增長不受限制； 支持對任何一個文件塊的直接訪問。缺點： 多了索引塊，則增加了系統空間開銷； 存取文件需要

8、2次訪問外存（先讀取索引塊，再讀取具體的數據塊），增加了時間開銷，降低了文件存取速度。 8.2 文件的結構及文件存取方式直接尋址a：一級間址文件數據塊一次索引塊二次索引塊三次索引塊abcb：二級間址c：三級間址一次索引塊一次索引塊二次索引塊UNIX多重索引結構8.2 文件的結構及文件存取方式2.磁帶 永久保存大容量數據順序存取設備：前面的物理塊被存取訪問之后，才能存取后續的物理塊的內容存取速度較慢，主要用于后備存儲，或存儲不經常用的信息，或用于傳遞數據的介質第i塊 間隙 第i+1塊8.2 文件的結構及文件存取方式3.磁盤 直接（隨機）存取設備： 存取磁盤上任一物理塊的時間不依賴于該物理塊所處的

9、位置磁道扇區8.2 文件的結構及文件存取方式 信息記錄在磁道上，多個盤片，正反兩面都用來記錄信息，每面一個磁頭 所有盤面中處于同一磁道號上的所有磁道組成一個柱面 物理地址形式： 磁頭號（盤面號） 磁道號（柱面號） 扇區號8.2 文件的結構及文件存取方式 磁盤系統由磁盤本身和驅動控制設備組成，實際存取讀寫的動作過程是由磁盤驅動控制設備按照主機要求完成的 一次訪盤請求： 讀/寫，磁盤地址（設備號，柱面號，磁頭號，扇區號），內存地址（源/目）8.2 文件的結構及文件存取方式完成過程由三個動作組成：尋道時間：磁頭移動定位到指定磁道（柱面）旋轉延遲時間：等待指定扇區從磁頭下旋轉經過數據傳輸時間：數據在磁

10、盤與內存之間的實際傳輸磁盤調度：根據用戶磁盤I/O指令指定的柱面位置，來決定請求執行順序的調度。目標：盡可能減少尋道時間，即減少移動臂的移動距離。磁盤調度策略：先來先服務（FCFS）策略最短服務時間優先（SSTF）策略掃描（SCAN）策略（電梯策略）循環掃描（CSCAN）策略（單向掃描策略） 例：請求順序：98 ,183,37,122,14,124,65,67最短服務時間優先策略：把距離磁頭當前位置最近的I/O請求作為下一次調度的對象。掃描策略：按移動臂的移動方向選擇距離磁頭當前位置最近的I/O請求作為下一次的調度對象。如果該方向上已經沒有I/O請求，則改變方向再做選擇。循環掃描策略：從0柱面

11、開始往里移動移動臂，遇到有I/O請求就進行處理，直到到達最后一個請求柱面，然后移動臂立即帶動磁頭不做任何服務地快速回到0柱面，又開始下一次掃描。 0 14 37 53 65 67 98 122 124 183 初始位置先來先服務策略以I/O請求到達的先后作為磁盤調度的順序例：假定讀/寫磁頭開始位于53號柱面，開始調度時有若干進程提出如下柱面的I/O請求： 98 ,183,37,122,14,124,65,67458514685108110592經計算共滑動了640個磁道；移動臂里外來回振動，效率低下。先來先服務策略優缺點優點 對各進程是公平的 缺點 （1）隨機訪問模式，無法對訪問進行優化 （2

12、）平均尋道距離較大，響應時間高，降低設備服務的吞吐量適用于訪問請求不是很多的情況。最短服務時間優先策略把距離磁頭當前位置最近的I/O請求作為下一次調度的對象98 ,183,37,122,14,124,65,67經計算共滑動了236個磁道；效率明顯好于先來先服務調度算法最短服務時間優先策略優缺點優點 與FCFS相比，系統設備吞吐量高，響應時間低 缺點 對用戶請求的訪問機會不是均等的，對中間磁道服務好，內外兩側磁道服務差，導致響應時間幅度變化很大。 掃描策略（電梯策略）電梯工作模式： 電梯保持按一個方向移動，直到在那個方向上沒有請求為止，然后改變方向。磁盤的電梯策略：（1）按移動臂的移動方向選擇距

13、離磁頭當前位置最近的I/O請求作為下一次的調度對象。如果該方向上已經沒有I/O請求，則改變方向再做選擇（2）該算法與移動臂當前移動方向有關，移動結果路線有2個答案：由里向外、由外向里電梯策略（由里向外）經計算共滑過了208個磁道電梯策略（由外向里）經計算共滑過了299個磁道電梯策略優缺點優點 由于優先考慮磁頭的當前移動方向，基本克服了SSTF的缺點，吞吐量大，平均響應時間較小 缺點 由于是擺動式的掃描，兩邊磁道被訪問的頻率仍然低于中間磁道循環掃描策略 從外向內移動移動臂，遇到有I/O請求就進行處理，直到到達最后一個請求柱面，然后移動臂立即帶動磁頭不做任何服務地快速回到0柱面，又開始下一次掃描快

14、速返回0號柱面經計算共滑過了350個磁道循環掃描策略特點 對掃描策略（電梯策略）的改進，進一步減少響應時間。 在磁盤訪問負荷較小的情況下，SCAN是最好的，而在中等以上負荷的情況下，CSCAN策略效果最佳。8.2 文件的結構及文件存取方式硬盤又分為兩種：固定頭磁盤：每個磁道設置一個磁頭，變換磁道時不需要磁頭的機械移動，速度快但成本高移動頭磁盤：一個盤面只有一個磁頭，變換磁道時需要移動磁頭，速度慢但成本低8.2 文件的結構及文件存取方式4.光盤 光盤容量大，速度快，價格便宜，但一般不可寫 可讀寫光盤驅動器價格貴，寫過程很麻煩 光盤的空間結構與磁盤類似8.2 文件的結構及文件存取方式5.外存的特點

15、容量大，斷電后仍可保存信息，速度較慢，成本較低由兩部分組成：驅動部分+存儲介質種類很多外存空間組織與地址與存取方式非常復雜I/O過程方式非常復雜6.用戶對外存的要求 用戶對外存的使用：讀寫外存數據 用戶對外存的要求：方便、效率、安全8.2 文件的結構及文件存取方式(1) 在讀寫外存時不涉及硬件細節，使用邏輯地址和邏輯操作(2) 存取速度盡可能快，容量大且空間利用率高(3) 外存上存放的信息安全可靠，防止來自硬件的故障和他人的侵權(4) 可以方便地共享，動態擴縮，攜帶拆卸，了解存儲情況和使用情況(5) 以盡可能小的代價完成上述要求8.2 文件的結構及文件存取方式三、存取方法順序存?。汉笠淮未嫒】?/p>

16、是在前次存取的基礎上進行的。每次存取不必給出存取開始的位置。隨機存取：每次存取操作都要指定存取操作的開始位置。8.2 文件的結構及文件存取方式存儲介質磁帶磁盤物理結構連續連續鏈接索引存取方式順序存取順序順序順序隨機隨機8.3 文件管理一、文件控制塊 FCB一個文件包括2部分：文件數據（內容）；文件的說明信息，即文件屬性。文件屬性包含有：文件名、長度、存放地址、建立日期等等。文件系統管理控制文件就依賴于文件屬性。8.3 文件管理 文件控制塊 （FCB）：OS文件系統為描述和控制文件所設置的數據結構，文件控制塊中記錄著對應文件的文件屬性。每個文件都有其對應的文件控制塊。一批文件控制塊的有序集合形成

17、一個文件目錄;目錄中每一個目錄項就是一個文件控制塊。OS把文件目錄作為文件處理，即目錄文件8.3 文件管理 文件控制塊的內容： 文件名，文件號，用戶名，文件地址，文件長度，文件類型，文件屬性，共享計數，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后訪問日期，口令，文件邏輯結構，文件物理結構8.3 文件管理DOS的文件控制塊Windows98與MSDOS屬于同一種文件系統，稱DOS文件系統，采用相同的目錄結構。其每一個文件的目錄表項，即文件控制塊的結構如下，每個文件占32個字節：文件名擴展名屬性未用未用讀寫日期時間日期簇號長度0 7 8 10 11 12 1516 18 19 20 21 22 2

18、3 24 25 26 27 28 318.3 文件管理文件名（8字節）：左對齊擴展名（3字節） ：左對齊時間、日期：建立或最后修改日期簇號 ：起始簇號，即文件存放起始地址，2字節（02 00 表示起始簇號為0002H）文件長度(4字節) ：文件實際長度。低位在前、高位在后（12 34 56 78 即78563412）8.3 文件管理文件屬性：1字節 例：03H（00000011） 只讀、隱含文件 10H（00010000） 目錄文件 04H（00000100） 系統文件待歸檔子目錄系統隱含只讀 7 6 5 4 3 2 1 08.3 文件管理二、文件目錄文件的文件控制塊（FCB）的集合即形成了文

19、件目錄。其中每一個目錄項就是一個文件控制塊。OS把文件目錄作為文件處理，即目錄文件。文件名長度建立日期存放位置存取權限a1.c26803/3/42A45HRWXa1.exe213603/3/4A823HXvf.exe764303/6/64B5CHX一級目錄結構：整個系統只建立一張目錄表，表內為系統中所有文件分配一個目錄項。優點: 簡單，易實現缺點: 限制了用戶對文件的命名 文件平均檢索時間長 限制了對文件的共享 只適合單用戶環境8.3 文件管理二級目錄結構：在多用戶系統中，有一個主文件目錄MFD，其中每個用戶占有一個目錄項，包括用戶名和指向該用戶目錄的指針。為每一個用戶建立一個單獨的用戶文件目

20、錄UFD，由該用戶的所有文件的文件控制塊組成。在此系統中，用戶建立的文件都在自己的用戶目錄內。8.3 文件管理優點：解決了文件的重名問題和文件共享問題 用戶名|文件名、查找時間降低缺點：增加了系統開銷8.3 文件管理多級目錄結構：三級以上的文件目錄結構。在二級目錄結構的基礎上形成，即允許在每個用戶目錄下建立自己的子目錄。也稱樹型目錄結構。檢索效率高、允許重名、便于共享，現在廣泛使用。根目錄：主目錄，樹的根結點結點：除根目錄外的所有目錄樹葉：系統中文件8.3 文件管理路徑名：從根目錄到任何文件之間，只有一條唯一的通路。從樹的根目錄開始，把全部目錄名與文件名，依次用“/”連接起來，就形成該數據文件

21、的路徑。 系統中每個文件都有唯一的路徑名。絕對路徑名：從根目錄開始到某一文件的路徑。當前目錄（工作目錄）：可以為一個進程設置一個“當前目錄”，進程對各文件的訪問，都是基于當前目錄進行的。相對路徑名：從當前目錄開始，到某一數據文件的路徑。相對路徑名與當前所處位置有關，它不是唯一的。8.3 文件管理優點： 層次結構清晰，便于管理和保護； 有利于文件分類； 解決重名問題； 提高文件檢索速度； 能進行存取權限的控制 缺點： 查找一個文件按路徑名逐層檢查，由于每個文件都放在外存，多次訪盤影響速度8.3 文件管理8.3 文件管理目錄管理目錄本身也是文件，保持在外存中；當一個目錄有許多文件，則該目錄文件就很

22、大；當用戶訪問某一文件，則往往要訪問多級目錄，這樣就要多次到外存去找，花費過多CPU時間。而如果把所有的文件目錄都存放在內存，既不必要，也無可能。為解決上述矛盾，采用方法為：把幾乎全部文件目錄都存放于外存，提供2種特殊操作：打開操作、關閉操作8.3 文件管理打開操作：系統把某文件路徑名所涉及的各級目錄項（文件控制塊）復制到內存的指定區域，并建立用戶和此文件的聯系。關閉操作：由系統根據用戶的要求，把在打開過程中復制到內存指定區域的目錄項刪除，從而切斷了用戶于這文件的聯系。 一個被打開的文件，才可以對它進行讀寫操作，在操作過程中，只需要訪問在打開時已經復制到內存的文件控制塊就可以了，不需要訪問在外

23、存的文件控制塊信息。 被打開文件稱活動文件。任何系統中被打開的文件數量是有限制的，UNIX是20個。8.4 文件的共享和保護文件共享：在多用戶系統中，系統允許多個授權用戶共享一個文件，系統中只保存該共享文件的一個文本 。文件共享是文件系統性能好壞的標志之一。一、文件的共享8.4 文件的共享和保護當前目錄法早期采用方法。在多用戶系統中，每個用戶都在自己的當前目錄下工作，用戶對所有文件的訪問是基于當前目錄的；整個文件目錄是樹型目錄；則當一個用戶要訪問不在它目錄下的文件時，從當前目錄開始到被訪文件所形成的一條通路，就是相對路徑名。每個用戶使用相對路徑名共享系統中文件。該方法也稱“繞彎路法”。8.4

24、文件的共享和保護連訪文件法在相應目錄之間進行連接，即 使一個目錄中的目錄項直接指向另一個目錄中的目錄項。例：用戶u1在當前目錄為d1時，要以文件名k.c共享u2中文件p.c。若系統采用連訪文件法，則在u1/d1下建立一連訪目錄項，其連接指針指向共享對象u2/p.c的目錄項，并在文件目錄中增加連訪屬性。8.4 文件的共享和保護多級目錄結構/ / u1 wp.exe/d1 cp.cmov.c/u2 p.cp.objp.exe8.4 文件的共享和保護基本文件目錄法把文件目錄的內容分為2部分：基本文件目錄BFD：整個文件系統一個，系統中每個文件在BFD內占有一個目錄項，包括文件的內部標識符ID和文件的

25、其它屬性（不包括文件名）而ID就是各文件在BFD中排序號。符號文件目錄SFD：系統中每個用戶有一個SFD，其下的每一個子目錄也有一個SFD，SFD內包含文件名和相應的內部標識符ID。8.4 文件的共享和保護01234567891011 ID BFD物理位置文件信息空白文件目錄主目錄（MFD）用戶名IDU13U29U1 的SFD文件名IDd111mov.c9U2 的SFD文件名IDp.c6p.obj7p.exe8d1 的SFD文件名IDcp.c10mov.c4k.c6當系統訪問查找某一共享文件時,只需通過用戶內部標識找到主目錄MFD,從主目錄找到用戶的SFD,再從SFD找到共享文件名及對應的內部標識，然后，從BFD內部標識查到共享文件的塊號，達到共享文件的目的。8.4 文件的共享和保護二、文件的保護 影響文件安全性因素：人為因素。人們有意或無意行為，造成文件的丟失或破壞。系統因素。系統異常造成，特別是外存故障。自然因素。存放在磁盤上信息，隨著時間推移消失。8.4