內(nèi)容大綱

• 1、文件管理;
• 2、文件系統(tǒng)管理
• 3、輸入/輸出管理
• 4、緩沖區(qū)

1 文件管理

文件

• 文件是指記錄在外存上的具有文件名的一組相關(guān)信息的集合。
• 系統(tǒng)運行時，以進程作為基本單位，用戶輸入輸出時，以文件為基本單位。
• 可分為有結(jié)構(gòu)文件和無結(jié)構(gòu)文件兩種。有結(jié)構(gòu)文件是由若干個相關(guān)記錄組成，而無結(jié)構(gòu)文件則被看成一個字符流。
  
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文件的邏輯結(jié)構(gòu)

• 有結(jié)構(gòu)的記錄式文件
  • 文件構(gòu)成：由一組相似記錄(如:考生信息記錄)構(gòu)成。
  • 記錄長度：分為定長和變長。
  • 分類（按記錄的組織）：
    順序文件（適用定長記錄）
    索引文件(變長，建立一張索引表)
    直接/哈希文件（鍵值確定物理地址）
• 無結(jié)構(gòu)的流式文件
  • 文件構(gòu)成：由字符流構(gòu)成。
  • 長度：字節(jié)為單位
  • 訪問：讀寫指針,通過窮舉搜索的方式訪問.

順序文件的優(yōu)缺點

• 優(yōu)點
  • 順序存取速度較快（批量存?。?。
  • 定長記錄，還可方便實現(xiàn)直接存取。
• 缺點
  • 對變長記錄，直接存取低效

  • 不利于文件的動態(tài)增長。

    
    
    定長文件順序存放

索引文件

引入—為解決變長記錄文件的順序存取低效問題。
索引文件—為變長記錄文件建立一張索引表。

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索引文件的特點

• 優(yōu)點
  • 通過索引表可方便地實現(xiàn)直接存取，具有較快的檢索速度。
  • 易于進行文件的增刪
• 缺點
  • 索引表的使用增加了存儲開銷
  • 索引表的查找策略對文件系統(tǒng)的效率影響很大
• 注：若索引表很大，可建多級索引

目錄結(jié)構(gòu)

與文件管理系統(tǒng)和文件集合相關(guān)聯(lián)的是文件目錄。包含文件的相關(guān)信息，如：屬性、位置和所有權(quán)等。
對目錄管理的要求如下：

• 實現(xiàn)“按名存取”
• 提高對目錄的檢索速度
• 文件共享
• 允許文件重名

文件控制塊和索引結(jié)點

從文件管理角度看，文件由FCB和文件體（文件本身）兩部分組成。

文件控制塊（FCB）

文件控制塊是操作系統(tǒng)為管理文件而設(shè)置的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存放了文件的有關(guān)說明信息，是文件存在的標志。
FCB中的信息：

• 基本信息類：文件名、文件長度、類型、屬性文件物理位置
• 存取控制信息類：文件存取權(quán)限、用戶名、口令、共享計數(shù)
• 使用信息類：文件的建立日期、最后修改日期、保存期限、最后訪問日期

文件目錄
把所有的FCB組織在一起，就構(gòu)成了文件目錄，即文件控制塊的有序集合。
目錄項
構(gòu)成文件目錄的項目（目錄項就是FCB）
目錄文件
為了實現(xiàn)對文件目錄的管理，通常將文件目錄以文件的形式保存在外存，稱為目錄文件。

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單級目錄

所有的用戶使用一個目錄

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• 優(yōu)點: 簡單，易實現(xiàn)，按名存取
• 缺點:
  • 限制了用戶對文件的命名（即易重名）
  • 文件平均檢索時間長(查找速度慢)，不支持分類。
  • 不便于實現(xiàn)文件共享
  • 只適用于單用戶環(huán)境

二級目錄

為每個用戶創(chuàng)建一個單獨的目錄

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• 優(yōu)點：
  • 提高了檢索目錄的速度；
  • 不同用戶目錄中可重名；
  • 不同用戶可用不同文件名來訪問系統(tǒng)中一共享文件
• 缺點:
  • 限制了各用戶對文件的共享
  • 增加了系統(tǒng)開銷，缺乏靈活性，無法反映真實世界復雜的文件結(jié)構(gòu)形式。不能支持文件分組。

樹形目錄

在兩級目錄中若允許用戶建立自己的子目錄，則形成3級或多級目錄結(jié)構(gòu)（即樹型目錄結(jié)構(gòu)）

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• 路徑名
  • 訪問數(shù)據(jù)文件的一條路徑。絕對路徑、相對路徑、當前路徑
• 優(yōu)點
  • 層次結(jié)構(gòu)清晰,實現(xiàn)分組,便于管理和保護；
  • 解決重名問題；
  • 查找速度加快。
• 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。

文件系統(tǒng)管理

一盤磁帶、一張光盤片、一個硬盤分區(qū)或一張軟盤片都稱為一卷，卷是存儲介質(zhì)的物理單位。一個卷可以保存一個文件或多個文件，也可以一個文件保存在多個卷上。
塊是存儲介質(zhì)上連續(xù)信息所組成的一個區(qū)域，也叫做物理記錄。塊是主存儲器和輔助存儲設(shè)備進行信息交換的物理單位，每次總是交換一塊或整數(shù)塊信息。

磁盤結(jié)構(gòu)

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分配方法

• 連續(xù)分配
• 鏈接分配
• 索引分配

連續(xù)分配

每個文件在磁盤上占用一組連續(xù)的物理塊。磁盤地址構(gòu)成一個線性空間，文件邏輯塊順序與文件物理塊順序相同。

• 優(yōu)點如下：
  • 順序訪問容易，對定長記錄，可方便實現(xiàn)直接存取。
  • 順序訪問速度快，適合連續(xù)批量訪問。
• 缺點如下：
  • 要求有連續(xù)的存儲空間，不利于文件動態(tài)增長。
  • 須事先知道文件的長度，尋找適當空間較費時。
  • 對變長記錄，不能很好地支持直接存取。

  • 存在“碎片”問題。

    
    
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磁盤空間的連續(xù)分配

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鏈接分配

磁盤塊分配方法：

• 每個文件是一個磁盤塊的鏈接列表：塊可以分散在磁盤各處。
• 按所需分配磁盤塊，鏈接在一起。
• 在每個塊中有指向下一個塊的指針
• 只需要起始地址。

可以通過合并(consolidation)將一個文件的各個簇連續(xù)存放，以提高I/O訪問性能。

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鏈接表FAT，每項保存下一塊鏈接地址，整個磁盤僅設(shè)置一張。

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索引分配

單級索引分配

鏈接分配方式雖然解決了連續(xù)分配方式所存在的問題， 但又出現(xiàn)了另外兩個問題， 即：

• 不能支持高效的直接存取。要對一個較大的文件進行直接存取，須首先在FAT中順序地查找許多盤塊號。
• FAT需占用較大的內(nèi)存空間。

為每一個文件分配一個索引塊（表），再把分配給該文件的所有塊號，都記錄在該索引塊中。故索引塊就是一個含有許多塊號地址的數(shù)組。

• 該索引塊的地址由該文件的目錄項指出。
• 支持隨機/直接存取。
• 不會產(chǎn)生外部碎片。
• 適用于較大的文件。

優(yōu)點:

• 不要求物理塊連續(xù),便于直接存取,便于文件 的增、刪、改。

缺點:

• 增加了索引表的空間開銷和查找時間。

索引順序文件

• 索引順序文件是與索引文件結(jié)構(gòu)類似，不同之處在于索引表不是為每個記錄建立一個表項，而是為一組記錄建立一個表項。

  
  
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• 在UNIX系統(tǒng)中,還采用了混合索引分配方式,可以同時采用一級、二級、三級索引分配結(jié)構(gòu),以滿足不同大小文件的需要。

• 每個文件的索引表為13個索引項,每項4個字節(jié),登記一個存放文件信息的物理塊號。最前面10項直接登記存放文件信息的物理塊號,叫直接尋址。

• 如果文件大于10塊,則利用第11項指向一個物理塊,該塊中最多可放256個文件物理塊的塊號,叫做一次間接尋址。對于更大的文件還可利用第12和第13項作為二次和三次間接尋址。

• UNIX中采用了三級索引結(jié)構(gòu)后，文件最大可達16兆個物理塊。

混合索引：UNIX（每塊4KB）

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3 輸入/輸出管理

• I/O 設(shè)備種類繁多，功能和速度差異巨大，機電特性各不相同。
• 系統(tǒng)提供I/O指令，控制設(shè)備實現(xiàn)I/O操作。
• 設(shè)備管理的功能
  （1）監(jiān)視系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài)。
  （2）設(shè)備分配。
  （3）設(shè)備控制是設(shè)備管理的另一功能，它包括設(shè)備驅(qū)動和設(shè)備中斷處理，具體的工作過程是在設(shè)備處理的程序中發(fā)出驅(qū)動某設(shè)備工作的I/O指令后，再執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理。

數(shù)據(jù)傳送控制方式

• 程序直接控制方式（輪詢）
• 中斷控制方式
• DMA方式
• 通道控制方式

程序直接控制方式-輪詢（Polling）

程序直接控制方式是指由程序直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間進行信息傳送的方式。通常又稱為“忙—等”方式或循環(huán)測試方式。
（1）把一個啟動位為“1”的控制字寫入該設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器。
（2）將需輸出數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器。
（3）測試控制狀態(tài)寄存中的“完成位”，若為0，轉(zhuǎn)（2），否則轉(zhuǎn)（4）。
（4）輸出設(shè)備將數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)取走進行實際的輸出。

中斷控制方式

（1）進程需要數(shù)據(jù)時，將允許啟動和允許中斷的控制字寫入設(shè)備控制狀態(tài)寄存器中，啟動該設(shè)備進行輸入操作。
（2）該進程放棄處理機，等待輸入的完成。操作系統(tǒng)進程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進程占用處理機。
（3）當輸入完成時，輸入設(shè)備通過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU在接收到中斷信號之后，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。
（4）中斷處理程序首先保護現(xiàn)場，然后把輸入緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到某一特定單元中去，同時將等待輸入完成的那個進程喚醒，進入就緒狀態(tài)，最后恢復現(xiàn)場，并返回到被中斷的進程繼續(xù)執(zhí)行。
（5）在以后的某一時刻，操作系統(tǒng)進程調(diào)度程序選中提出的請求并得到獲取數(shù)據(jù)的進程，該進程從約定的內(nèi)存特定單元中取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作。

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DMA方式

DMA方式又稱直接內(nèi)存訪問（Direct Memory Access）方式。其基本思想是在外設(shè)和主存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。DMA采用總線周期挪用實現(xiàn)I/O。

DMA方式的特點是：

• 數(shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)塊。
• 所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備送內(nèi)存，或者相反。
• 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需中斷CPU，請求干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器控制下完成的。

DMA控制器的組成

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DMA方式的工作流程

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4 緩沖區(qū)

緩沖（Buffering） - 在設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時，（暫時）保存數(shù)據(jù)。

• 協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)到達速度與數(shù)據(jù)離去速度不匹配的問題。
• 協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)大小不一致的問題。
• 確保數(shù)據(jù)的 “復制語義”。
• 減少對CPU的中斷次數(shù)
• 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性

單緩沖

單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的一種緩沖形式。每當一個進程發(fā)出一個I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一個緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)。
設(shè)備先把數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后用戶進程從緩沖區(qū)讀走數(shù)據(jù)。

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雙緩沖

• 在雙緩沖方案中，設(shè)置兩個緩沖區(qū)1和2，直到緩沖區(qū)1滿才輸入到緩沖區(qū)2，此時操作系統(tǒng)可以從緩沖區(qū)1讀取數(shù)據(jù)放入用戶進程。

• 雙緩沖方式和單緩沖方式相比，雙緩沖方式能進一步提高CPU和外設(shè)的并行程度。但是在實際系統(tǒng)中很少采用這一方式，這是因為在計算機系統(tǒng)中的外設(shè)很多，又有大量的輸入和輸出，同時雙緩沖很難匹配設(shè)備和CPU的處理速度。因此現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中一般使用環(huán)形緩沖或緩沖池結(jié)構(gòu)。

  
  
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環(huán)形緩沖

• 環(huán)形緩沖包含了多個大小相等的緩沖區(qū)。在主存中分配一組大小相等的存儲區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)鏈接起來，每個緩沖區(qū)中有一個指向下一個緩沖的指針，最后一個緩沖區(qū)的指針指向第一個緩沖區(qū)，這樣n個- 緩沖區(qū)就成了一個環(huán)形。環(huán)形緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖所示。

• 需要兩個指針in和out。in指向可以輸入數(shù)據(jù)的第一個空緩沖區(qū)，out指向可以提取數(shù)據(jù)的第一個滿緩沖區(qū)。

  
  
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緩沖池

從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩沖池。

緩沖池的組成

• 緩沖池中的緩沖區(qū)可以形成3個隊列：空閑緩沖區(qū)、裝輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
• 緩沖池中還有4種工作緩沖區(qū)，收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin，提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin，收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout，提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout。

緩沖池的工作方式

緩沖區(qū)可以在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種方式下工作。

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• 收容輸入：從空白緩沖區(qū)隊列中取出一個緩沖號為number的空白緩沖區(qū)，將其作為收容輸入緩沖區(qū)hin，當hin中裝滿了由輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)之后，將該緩沖區(qū)插入到裝滿輸入數(shù)據(jù)的輸入緩沖隊列 in中。
• 收容輸出：從空白緩沖區(qū)隊列中取出一個空白緩沖區(qū)number作為收容輸出緩沖區(qū)hout，待hout中裝滿輸出數(shù)據(jù)之后，將該緩沖區(qū)插入裝滿輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖隊列 out中。
• 提取輸入：從裝滿輸入數(shù)據(jù)的輸入緩沖隊列 in中取出一個裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)number作為輸入緩沖區(qū)sin，當CPU從中提取完所需數(shù)據(jù)之后，將該緩沖區(qū)釋放并插入空白緩沖隊列emq中。
• 提取輸出：從裝滿輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖隊列 out中取出裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)number，將其作為sout。當sout中數(shù)據(jù)輸出完畢時，系統(tǒng)將該緩沖區(qū)插入空白緩沖隊列emq中。

緩沖池中的3種緩沖隊列

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F指向隊首，L指向隊尾。（emq指空緩沖區(qū)隊列，inq裝滿輸入數(shù)據(jù)的輸入緩沖隊列 ，out裝滿輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖隊列 ）