一、概述

文件的邏輯結(jié)構(gòu) ( 順序文件，索引文件，索引順序文件，直接文件和哈希文件 )

外存分配方式

文件目錄管理

文件存儲空間管理

文件系統(tǒng)的可靠性和安全性

文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性控制

文件管理，由于系統(tǒng)的內(nèi)存有限并且不能長期保存，故平時總是把它們以文件的形式存放在外存中，需要時再將它們調(diào)入內(nèi)存。如何高效的對文件進行管理是操作系統(tǒng)實現(xiàn)的目標(biāo)。

二、文件和文件系統(tǒng)

2.1

　　現(xiàn)代OS幾乎都是通過文件系統(tǒng)來組織和管理在計算機中所存儲的大量程序和數(shù)據(jù)的。文件系統(tǒng)的管理功能是通過把它所管理的程序和數(shù)據(jù)組織成一系列文件的方法來實現(xiàn)的。而文件則是指具有文件名的若干相關(guān)元素的集合。元素通常是記錄，而記錄是一組有意義的數(shù)據(jù)項的集合?？梢园褦?shù)據(jù)組成分為數(shù)據(jù)項、記錄、文件。

　?、贁?shù)據(jù)項，數(shù)據(jù)項是最低級數(shù)據(jù)組織形式。分為基本數(shù)據(jù)項（用于描述一個對象某種屬性的字符集，是數(shù)據(jù)組織中可以明明的最小邏輯數(shù)據(jù)單位，即原子數(shù)據(jù)，又稱為數(shù)據(jù)元素或字段）和組合數(shù)據(jù)項（由若干個基本數(shù)據(jù)項組成）

　　② 記錄，是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項的集合，用于描述一個對象在某方面的屬性，為了能夠唯一標(biāo)識一個記錄，需要在一個記錄的各個數(shù)據(jù)項中確定一個或幾個數(shù)據(jù)項，把他們的集合稱為關(guān)鍵字，關(guān)鍵字是能夠唯一標(biāo)識一個記錄的數(shù)據(jù)項。

　　③ 文件，文件是具有文件名的一組相關(guān)元素的集合，分為有結(jié)構(gòu)文件（又稱記錄式文件：文件由一組相似記錄組成 。如報考某學(xué)校的所有考生的報考信息記錄）和無結(jié)構(gòu)文件（又稱流式文件：被看成是一個字符流。比如一個二進制文件或字符文件）。有結(jié)構(gòu)文件由若干個相關(guān)記錄組成，無結(jié)構(gòu)文件則被看成一個字符流。文件是文件系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)單位。文件應(yīng)該具有自己的屬性，包括文件類型（如源文件、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件等），文件長度（文件的當(dāng)前長度，也可能是最大允許長度），文件的物理位置（指示文件在哪一個設(shè)備上及在該設(shè)備的哪個位置的指針），文件的建立時間（文件最后一次修改時間）。

　　　一個文件可對應(yīng)若干個記錄，一個記錄可對應(yīng)若干個數(shù)據(jù)項。

　　文件系統(tǒng)管理的對象有：文件（作為文件管理的直接對象），目錄（為了方便用戶對文件的存取和檢索，在文件系統(tǒng)中配置目錄，每個目錄項中，必須含有文件名及該文件所在的物理地址，對目錄的組織和管理是方便和提高對文件存取速度的關(guān)鍵），磁盤（文件和目錄必定占用存儲空間，對這部分空間的有效管理，不僅能提高外存的利用率，而且能提高對文件的存取速度）。

2.2 文件的屬性、基本操作以及文件的打開和關(guān)閉

2.2.1 文件的屬性

①名稱：文件名稱唯一，以容易讀取的形式保存。

②標(biāo)識符：標(biāo)識文件系統(tǒng)內(nèi)文件的唯一標(biāo)簽,通常為數(shù)字，它是對人不可讀的一種內(nèi)部名稱。

③類型：被支持不同類型的文件系統(tǒng)所使用。

④位置：指向設(shè)備和設(shè)備上文件的指針。

⑤大?。何募?dāng)前大小（用字節(jié)、字或塊表示），也可包含文件允許的最大值。

⑥保護：對文件進行保護的訪問控制信息。

⑦時間、日期和用戶標(biāo)識：文件創(chuàng)建、上次修改和上次訪問的相關(guān)信息，用于保護、 安全和跟蹤文件的使用。

2.2.2 文件的基本橾作

　?、?創(chuàng)建文件，在創(chuàng)建一個新文件時，系統(tǒng)首先要為新文件分配必要的外存空間，并在文件系統(tǒng)的目錄中，為之建立一個目錄項，目錄項中應(yīng)該記錄新文件的文件名及其在外存的地址等屬性。

　?、?刪除文件，當(dāng)已不再需要某文件時，可將其從文件系統(tǒng)中刪除，在刪除時，系統(tǒng)應(yīng)先從目錄中找到要刪除文件的目錄項，使之成為空項，然后回收該文件所占用的存儲空間。

　　③ 讀文件，讀文件時，須在相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用中給出文件名和應(yīng)讀入的內(nèi)存目標(biāo)地址。此時，系統(tǒng)要查找目錄，找到指定目錄項，從中得到被讀文件在外存中的位置。在目錄項中，還有一個指針用于對文件進行讀/寫。

　?、?寫文件，寫文件時，須在相應(yīng)系統(tǒng)調(diào)用中給出文件名和其在內(nèi)存源地址。此時，系統(tǒng)要查找目錄，找到指定目錄項，從再利用目錄中的寫指針進行寫操作。

　?、?截斷文件，如果一個文件的內(nèi)容已經(jīng)陳舊而需要全部更新時，一種方法是將此文件刪除，再重新創(chuàng)建一個新文件，但如果文件名和屬性均無改變，則可采取截斷文件的方法，其將原有的文件長度設(shè)置為0，放棄原有文件的內(nèi)容。

　?、?設(shè)置文件的讀/寫位置，用于設(shè)置文件讀/寫指針的位置，以便每次讀/寫文件時，不需要從始端開始而是從所設(shè)置的位置開始操作。可以改順序存取為隨機存取。

2.2.3 文件的打開和關(guān)閉

來源：當(dāng)前OS所提供的大多數(shù)對文件的操作，其過程大致都是這樣兩步：首先，檢索文件目錄來找到指定文件的屬性及其在外存上的位置；然后，對文件實施相應(yīng)的操作，如讀/寫文件等，當(dāng)用戶要求對一個文件實施多次讀/寫或其他操作時，每次都要從檢索目錄開始，為了避免多次重復(fù)地檢索目錄，在大多數(shù)OS中都引入了打開這一文件系統(tǒng)調(diào)用，當(dāng)用戶第一次請求對某文件系統(tǒng)進行操作時，先利用open系統(tǒng)調(diào)用將該文件打開。

打開是指系統(tǒng)將指名文件的屬性（包括該文件在外存上的物理位置）從外存拷貝到內(nèi)存打開文件表的一個表目中，并將該表目的編號（索引號）返回給用戶，以后，當(dāng)用戶再要求對該文件進行操作時，便可利用系統(tǒng)所返回的索引號向系統(tǒng)提出操作請求，系統(tǒng)便可直接利用該索引號到打開文件表中去查找，從而避免了對該文件的再次檢索，如果用戶不再需要對該文件實施操作，可利用關(guān)閉系統(tǒng)調(diào)用來關(guān)閉此文件，OS將會把該文件從打開文件表中的表目上刪除掉。

三、文件的邏輯結(jié)構(gòu)

文件的邏輯結(jié)構(gòu):從用戶角度看文件的組織形式

文件的物理結(jié)構(gòu):文件在外存上的存儲組織形式

3.1 文件的邏輯結(jié)構(gòu)類型

無結(jié)構(gòu)文件（流式文件）

1

無結(jié)構(gòu)文件是最簡單的文件組織形式。無結(jié)構(gòu)文件將數(shù)據(jù)按順序組織成記錄并積累保存，它是有序相關(guān)信息項的集合，以字節(jié)(Byte)為單位。由于無結(jié)構(gòu)文件沒有結(jié)構(gòu)，因而對記錄的訪問只能通過窮舉搜索的方式，故這種文件形式對大多數(shù)應(yīng)用不適用。但字符流的無結(jié)構(gòu)文件管理簡單，用戶可以方便地對其進行操作。所以，那些對基本信息單位操作不多的文件較適于釆用字符流的無結(jié)構(gòu)方式，如源程序、可執(zhí)行文件、庫函數(shù)等。

有結(jié)構(gòu)文件（記錄式文件）

1

按記錄的組織形式可以分為：

3.1.1 順序文件

文件是記錄的集合，文件中的記錄可以是任意順序的，因此，它可以按照各種不同的順序進行排列，一般地，可歸納為以下兩種情況。

　　① 串結(jié)構(gòu)，個記錄之間的順序與關(guān)鍵字無關(guān)，通常按照時間先后排序，最先存入的記錄作為第一個記錄，其次，為第二個記錄，以此類推。

　?、?順序結(jié)構(gòu)，文件中所有記錄按照關(guān)鍵字排列，可以按照關(guān)鍵詞長度從大到小排列。順序結(jié)構(gòu)的檢索效率更高。

　　順序文件的最佳應(yīng)用場合是在對諸記錄進行批量存取時，即每次要讀或?qū)懸淮笈涗洉r，此時，對順序文件的存取效率是所有邏輯文件中最高的，此外，只有順序文件才能存儲在磁帶上，并能有效工作。但是想要增加或刪除一個文件比較困難。

提問：為什么增加或刪除一個文件比較困難？

答：類似于數(shù)組的缺點。

3.1.2 索引文件

　　對于定長記錄文件，可以方便的實現(xiàn)順序存取和直接存取，然而，對于變長記錄就很難實現(xiàn)。為了解決變長記錄檢索問題，可為變長記錄文件建立一張索引表，對主文件中的每個記錄，在索引表中設(shè)有一個相應(yīng)的表項，用于記錄該記錄的長度 L 及指向該記錄的指針（指向該記錄在邏輯地址空間的首址），由于索引表按記錄鍵排序的，因此，索引表本身就是一個定長記錄的順序文件。從而可以方便實現(xiàn)直接存取。

索引表與文件一一對應(yīng)

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　　由于是按照關(guān)鍵字進行建立的索引，所以在對索引文件進行檢索時，首先根據(jù)用戶（程序）提供的關(guān)鍵字，并利用折半查找檢索索引表，從中找到相應(yīng)的表項，再利用該表項給出的指向記錄的指針值，去訪問所需的記錄。每當(dāng)要向索引文件中增加一個新紀錄時，便須對索引表進行修改。索引表的問題在于除了有主文件外，還需要配置一張索引表，每個記錄需要有一個索引項，因此提高了存儲費用。優(yōu)點就是擁有較快的檢索速度，適合用于對及時性要求比較高的場合。

3.1.3 索引順序文件

其有效克服了變長記錄不便于直接存取的缺點，而且所付出的代價也不算太大，它是順序文件和索引文件相結(jié)合的產(chǎn)物，它將順序文件中的所有記錄分為若干個組，為順序文件建立一張索引表，在索引表中為每組中的第一個記錄建立一個索引項，其中含有該記錄的鍵值和指向記錄的指針。

在對索引順序文件進行檢索時，首先利用用戶（程序）所提供的關(guān)鍵字及某種查找算法去檢索索引表，找到該記錄組中的第一個記錄的表項，從中得到該記錄組第一個記錄在主文件中的位置，然后，再利用順序查找法去查找主文件，從中找出所要求的記錄。

3.1.4 直接文件

　　對于直接文件，則根據(jù)給定的記錄鍵值，直接獲得指定記錄的物理地址，換言之，記錄鍵值本身就決定了記錄的物理地址，這種由記錄鍵值到記錄物理地址的轉(zhuǎn)換被稱為鍵值轉(zhuǎn)換。

3.1.5 哈希（Hash）文件

　　利用Hash函數(shù)可將記錄鍵值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)記錄的地址，為了能實現(xiàn)文件存儲空間的動態(tài)分配，通常由Hash函數(shù)所求得的并非是相應(yīng)記錄的地址，而是指向一目錄表相應(yīng)表目的指針，該表目的內(nèi)容指向相應(yīng)記錄所在的物理塊。

emmmmmmm , 這個所講的意思并不是很懂~_~

四、文件目錄管理

為了能夠?qū)ξ募嵤┯行У墓芾?，必須對它們加以妥善組織，這主要是通過文件目錄實現(xiàn)的，文件目錄也是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于標(biāo)識系統(tǒng)中的文件及其物理地址，供檢索時使用，對目錄的管理要求如下：

　?、?實現(xiàn)按名存取，即用戶只須向系統(tǒng)提供所需訪問的文件的名字，便能夠快速準(zhǔn)確地找到指定文件在外存上的存儲位置，這是目錄管理中最基本的功能。

　?、?提高對目錄檢索速度，通過合理地組織目錄結(jié)構(gòu)的方法，可加快對目錄的檢索速度，從而提高對文件的存取速度。

　?、?文件共享，在多用戶系統(tǒng)中，應(yīng)該允許用戶共享一個文件。

　?、?允許文件重名，系統(tǒng)應(yīng)允許不同用戶對不同文件采用相同的名字，以便用戶按照自己的習(xí)慣給文件命名和使用文件。

4.1 文件控制塊

　　為了能對文件進行正確的存取，必須為文件設(shè)置用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱之為文件控制塊FCB，文件管理程序可借助于文件控制塊中的信息，對文件施加各種操作，文件與文件控制塊一一對應(yīng)，而人們把文件控制塊的有序集合稱為文件目錄，一個文件控制塊就是一個文件目錄項。通常，一個文件目錄也可被看成是一個文件，稱為目錄文件。

　　　　文件控制塊包含基本信息、存取控制信息、使用信息。

　?、?基本信息，包括文件名（標(biāo)識一個文件的符號名，在每個系統(tǒng)中，每個文件都有唯一的名字，用戶利用該名字進行存?。?；文件物理位置（指文件在外存上的存儲位置，包括存放文件的設(shè)備名、文件在外村上的起始盤塊號、指示文件所占用的盤塊數(shù)或字節(jié)數(shù)的文件長度）；文件邏輯結(jié)構(gòu)（指示文件是流式文件還是記錄式文件、記錄數(shù)，文件是定長還是變長記錄）；文件物理結(jié)構(gòu)（指示文件是順序文件、鏈?zhǔn)轿募€是索引文件）

　?、?存取控制信息，包括文件主的存取權(quán)限、核準(zhǔn)用戶的存取權(quán)限及一般用戶的存取權(quán)限。

　?、?使用信息，包括文件的建立日期和時間、文件上一次修改的日期和時間及當(dāng)前使用信息（這項信息包括當(dāng)前已打開該文件的進程數(shù)、是否被其他進程鎖住、文件在內(nèi)存中是否已被修改但尚未拷貝到盤上）

4.2 索引結(jié)點

　　文件目錄通常是存放在磁盤上的，當(dāng)文件很多時，文件目錄可能要占用大量的盤塊，在查找的過程中，先將存放目錄文件的第一個盤塊中的目錄調(diào)入內(nèi)存，然后把用戶所給定的文件名和目錄項中的文件名逐一對比。若未找到指定文件，則再將下一個盤塊中的目錄項調(diào)入內(nèi)存。在檢索目錄文件時，只用到了文件名，僅當(dāng)找到一個目錄項（即其中的文件名與指定要查找的文件名相匹配）時，才需要從該目錄項中讀出該文件的物理地址，而其他一些對該文件進行描述的信息，在檢索目錄時一概不用，顯然，這些信息在檢索目錄時不需要調(diào)入內(nèi)存。為此，在有的系統(tǒng)中，如UNIX系統(tǒng)，便采用了把文件名和文件描述信息分開的方法，亦即，使文件描述信息單獨形成一個稱為索引結(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡稱為i結(jié)點，在文件目錄中的每個目錄項由文件名和指向該文件所對應(yīng)的i結(jié)點的指針?biāo)鶚?gòu)成。

每個文件都有唯一的磁盤索引結(jié)點（磁盤索引結(jié)點信息與文件名等信息一起構(gòu)成了FCB）

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4.3 目錄結(jié)構(gòu)

　　目錄結(jié)構(gòu)的組織，關(guān)系到文件系統(tǒng)的存取速度，也關(guān)系到文件的共享性和安全性，目前常用的目錄結(jié)構(gòu)形式有單級目錄、兩級目錄、多級目錄。

　　① 單級目錄結(jié)構(gòu)，在整個系統(tǒng)中只建立一張目錄表，每個文件占一個目錄項，目錄項中含文件名、文件擴展名、文件長度、文件類型、文件物理地址、狀態(tài)位（表示目錄項是否空閑）等。每當(dāng)要建立一個新文件時，必須先檢查所有的目錄項，以保證新文件名在目錄中是唯一的，然后再從目錄表中找到一個空白目錄項，填入新文件的文件名及其他說明信息，并置狀態(tài)為1，刪除文件時，先從目錄中找到該文件的目錄項，回收該文件所占用的存儲空間，然后再清除該目錄項。單級目錄的有點是簡單并且能夠?qū)崿F(xiàn)目錄管理的基本功能-按名存取，但是查找速度慢（查找一個目錄項要花費較多的時間），不允許重名（在一個目錄表中的所有文件，都不能與另一個文件有相同的名字，這是難以避免的），不便于實現(xiàn)文件共享（每一個用戶都有自己的名字空間或命名習(xí)慣，因此，應(yīng)該允許不同用戶使用不同的文件名來訪問同一個文件）

　　　　② 兩級目錄結(jié)構(gòu)，為每個用戶建立一個單獨的用戶文件目錄UFD（User File Directory），這些文件目錄具有相似的結(jié)構(gòu)，由用戶所有文件的文件控制塊組成。此外，系統(tǒng)中還有一個主文件目錄MFD（Master File Directory），在主文件目錄中，每個用戶目錄文件都占有一個目錄項，其目錄項包括用戶名和指向用戶目錄文件的指針。

　　兩級目錄結(jié)構(gòu)克服了單級目錄的缺點，具有如下優(yōu)點：提高了檢索目錄的速度（如果在主目錄中有n個子目錄，每個用戶目錄最多為m個目錄項，則為查找一指定的目錄項，最多只需要檢索n+m個目錄項）。在不同的用戶目錄中，可以使用相同的文件名（只要在用戶自己的UFD中，每個文件名都是唯一的，不同用戶可以有文件名相同的文件）。不同用戶還可使用不同的文件名來訪問系統(tǒng)中同一個共享文件。但在多個用戶需要合作完成一個大任務(wù)時，不便于用戶之間共享文件。

　　　③ 多級目錄結(jié)構(gòu)，對于大型文件系統(tǒng)，通常采用三級或三級以上的目錄結(jié)構(gòu)，以提高對目錄的檢索速度和文件系統(tǒng)的性能。多級目錄結(jié)構(gòu)又稱為樹形目錄結(jié)構(gòu)，主目錄被稱為根目錄，把數(shù)據(jù)文件稱為樹葉，其他的目錄均作為樹的結(jié)點。

說明：方框代表目錄文件，圓圈代表數(shù)據(jù)文件

1. 應(yīng)該允許在一個目錄文件中的目錄項既是作為目錄文件的FCB，又是數(shù)據(jù)文件的FCB，這一信息可用目錄項中的一位來指示。如用戶A總目錄中，目錄項A是目錄文件FCB，而目錄項B和D則是數(shù)據(jù)文件的FCB。

2. 系統(tǒng)中的每個文件都有唯一的路徑名

3. 絕對路徑與相對路徑

4.4 目錄查詢技術(shù)

　　當(dāng)用戶要訪問一個已存在的文件時，系統(tǒng)首先利用用戶提供的文件名對目錄進行查詢，找出該文件的文件控制塊或?qū)?yīng)索引結(jié)點，然后，根據(jù)FCB或索引結(jié)點中所記錄的文件物理地址（盤塊號），換算出文件在磁盤上的物理位置，最后，再通過磁盤驅(qū)動程序，將所需文件讀入內(nèi)存。目前常用的方式有線性檢索法和Hash方法。

　　① 線性檢索法，其又稱為順序檢索法，在樹形目錄中，用戶提供的文件名是由多個文件分量名組成的路徑名，此時須對多級目錄進行查找，假定用戶給定的文件路徑名為/usr/ast/mbox，則查找過程如下。

1. 讀入第一個文件分量名usr，用它與根目錄文件（或當(dāng)前目錄文件）中各目錄項中的文件名順序地進行比較

2. 得到匹配項的索引結(jié)點號是6

3. 從6號索引結(jié)點中得到usr目錄文件放在132號盤塊中，將該盤塊內(nèi)容讀入內(nèi)存

4. 再將路徑名中的第二個分量名ast讀入，用它與放在132號盤塊中的第二級目錄文件中各目錄項的文件名順序進行比較

5. 依次類推

　　② Hash方法，系統(tǒng)利用用戶提供的文件名并將它轉(zhuǎn)換為文件目錄的索引值，再利用該索引值到目錄中去查找，這將提高檢索速度。