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第四章 文件管理1 - 文件系统

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第四章 文件管理1 - 文件系统文件基础知识文件的属性操作系统提供的系统调用文件的逻辑结构 / 物理结构文件的逻辑结构文件的物理结构（文件分配方式）连续分配链接分配索引分配文件目录文件控制块 FCB索引结点（FCB的改进）文件存储空间管理空闲表法空闲链表法位示图法成组链接法文件共享硬链接：基于索引结点的共享方式软链接：基于符号链的共享方式共性文件保护口令保护加密保护访问控制文件系统的层次结构补充：文件系统实例

文件基础知识

文件的属性

文件名、标识符、类型、位置、大小、保护信息 …

操作系统提供的系统调用

创建文件：create读文件：read 从外存读入内存 写文件：write 从内存写回外存 删除文件：delete打开文件：open 将目录项中的信息复制到打开文件表中，并将打开文件表的索引号（文件描述符）返回给用户打开文件之后，堆文件的操作不需要每一次都查询目录，可以根据内存中的打开文件表进行操作每个进程有自己的打开文件表（包含读写指针、访问权限…）操作系统有一张总打开文件表（包含打开计数器…） 关闭文件：close 将进程打开文件表中的相应表项删除系统打开文件表的打开计数器 -1，如果为 0，则删除表项 复制文件 使用 create + read + write 的组合实现

文件的逻辑结构 / 物理结构

物理结构：操作系统角度，文件数据如何存放在外存中

逻辑结构：用户角度，文件内部数据如何组织

文件的逻辑结构

无结构文件：二进制字符流，流式文件。例如：记事本文件

有结构文件：记录是一组数据项的集合。例如：数据库表

根据各条记录长度是否相等，分为：

定长记录（可以随机存取）可变长记录（无法随机存取）

根据有结构文件的逻辑结构，分为：

顺序文件：采用顺序存储（可以随机存取）/ 链式存储（无法随机存取）。

根据记录是否按关键字有序排列，分为串结构（无序）/ 顺序结构（有序）

索引文件：建立一张索引表，每个记录对应一个表项。

可以用不同的数据项建立多个索引表，例如：id, username 分别作为索引

索引顺序文件：将记录分组，一组记录对应一个索引表项。检索时，先顺序查索引表，找到分组，再顺序查找分组。可以建立多级索引顺序文件。

文件的物理结构（文件分配方式）

连续分配

每个文件在磁盘上占有一组连续的块。支持顺序访问 / 随机访问

链接分配

隐式链接：目录中存放文件名、起始块号、结束块号，每个磁盘块中保存下一个盘块的指针。不支持随机访问。显式链接：目录中存放文件名、起始块号，操作系统维护 FAT文件分配表 <物理块号,下一块>。支持随机访问。

索引分配

每个文件建立一张索引表。

链接方案：一个索引块装不下，可以将多个索引块链接起来存放。

多级索引：建立多层索引，使第一层索引块指向第二层的索引块，类推。

混合索引：顶级索引表中包含直接地址索引（直接指向数据块）、一级间接索引、两级间接索引。对于小文件来说，访问一个数据块所需的读磁盘次数更少。

区分：FAT 是一个磁盘对应一张，索引表是一个文件对应一张。

文件目录

文件控制块 FCB

FCB 的有序集合称为 “文件目录”，FCB 实现了文件名和文件的映射。FCB 中包含：

文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等）存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等）使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）文件名、文件物理地址

需要对目录进行的操作：

搜索：当用户要使用一个文件时，系统要根据文件名搜索目录，找到该文件对应的目录项创建文件：增加目录项删除文件：删除目录项显示目录：用户请求显示目录的内容，如：所有文件、相应属性修改目录：保存在目录中的文件属性变化，如：文件重命名

目录结构

单级目录结构：不允许文件重名两级目录结构：允许不同用户的文件重名多级目录结构：又称树形目录结构，不同目录下的文件可以重名无环图目录结构：整个目录成为一个有向无环图，方便用户间文件共享。每个共享结点设置一个共享计数器，有共享计数器减为 0 时，才删除结点。

索引结点（FCB的改进）

原有的文件目录表项：

将冗余信息放在索引节点中：节省空间，减少 IO 次数，提升文件检索速度

找到文件名对应的目录项后，才需要将索引结点调入内存，然后根据“存放位置”即可找到文件。

文件存储空间管理

操作系统需要对磁盘块进行哪些管理：

对非空闲磁盘块的管理：（文件的物理结构）连续分配、链接分配、索引分配对空闲磁盘块的管理：空闲表法、空闲链表法（空闲盘快链 / 空闲盘区链）、位示图法、成组链接法

空闲表法

空闲链表法

空闲盘快链：以盘区为单位组成一条空闲链

空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链

位示图法

要能自己推出盘块号与（字号,位号）相互转换的公式：若n表示字长，则

(字号,位号)=(i, j)的二进制位对应的盘块号b = ni + j

b号盘块对应的字号i = b/n，位号j = b%n

成组链接法

UNIX 采用的策略，适合大型文件系统

文件共享

硬链接：基于索引结点的共享方式

两个变量名指向了同一个物理位置，硬链接的文件拥有相同的 inode。操作系统靠 inode 来区分文件的，2 个 inode 相同的文件，代表它们是同一个文件。如果删掉了其中一个文件，另外一方还能找到这个文件。相当于只是删除了一个引用。若 count > 0，说明还有别的用户要使用该文件。除非你把硬链接和源文件都删除，count 值变为 0，这个文件才被真正删除。

软链接：基于符号链的共享方式

软链接是两个独立的文件，相当于创建了一个快捷方式文件的共享用户只有该文件的路径名，只有文件拥有者才拥有指向其索引节点的指针若符号链接被删除，不影响源文件。若源文件被删除，符号链接仍然存在，但找不到源文件了，会标红报错。软链接有自己的 inode 号以及用户数据块软链接可跨文件系统，硬链接不行通过软链接方式访问共享文件时，要查询多级目录，会有多次磁盘 IO，因此比硬链接慢

共性

无论是硬链接还是软连接，如果修改任意一方，另外一个文件也会看到这个变化。

文件保护

口令保护

为文件设置一个“口令”（如：abc112233），用户请求访问该文件时必须提供“口令”。口令一般存放在文件对应的FCB或索引结点中。

缺点：正确的“口令”存放在系统内部，不够安全。

加密保护

使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。

缺点：编码/译码，或者说加密/解密要花费一定时间。

Eg：一个最简单的加密算法——异或加密，假设用于加密 / 解密的 “密码” 为“01001”

访问控制

在每个文件的FCB（或索引结点）中增加一个访问控制列表（Access-Control List, ACL），该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。

精简的访问列表：以“组”为单位，标记各“组”用户可以对文件执行哪些操作。

如：分为系统管理员、文件主、文件主的伙伴、其他用户几个分组。当某用户想要访问文件时，系统会检查该用户所属的分组是否有相应的访问权限。

文件系统的层次结构

补充：文件系统实例