操作系统原理，文件系统的概念与实现，概念，需求，文件分类，逻辑结构，数据结构，文件控制块和文件目录，基本文件操作，多级目录，文件物理结构，Unix的文件多级索引结构

基本概念

一、文件概念：
1、文件是对磁盘的抽象
2、是一组带有标识（文件名），在逻辑上有完整意义的信息项的序列
3、信息项是构成文件内容的基本单位（单个或多个字节），各个信息项之间有顺序关系
4、文件内容的意义由文件建立者和使用者决定
5、文件有读写指针

二、文件系统的设计需求：
操作系统角度：组织管理文件的方法
1、文件的描述，分类
2、文件目录的实现
3、存储空间的管理
4、文件的物理地址
5、磁盘实际运作方式，与设备管理的接口
6、文件系统的性能

用户角度：文件系统如何呈现在用户面前
1、一个文件的组织
2、对文件的命名和保护
3、对文件可以实施的操作

三、文件系统概念：
操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供可靠安全的共享和保护手段，并且方便用户使用，具体有：
1、统一管理磁盘空间，实施磁盘空间的分配与回收
2、实现文件的按名存取，使文件的名字空间映射到磁盘空间
3、实现文件信息的共享，并提供文件的保护，保密手段
4、向用户提供一个方便使用、易于维护的接口，并向用户提供有关统计信息
5、提高文件系统的性能
6、提供与IO系统的统一接口

四、文件的分类，以Unix为例
Unix中文件的性质和用途：普通文件，目录文件，特殊文件（设备文件），管道文件，套接字
1、普通文件regular：包含了用户的信息，一般为ASCII或二进制文件
2、目录文件directory：管理文件系统的系统文件
3、特殊文件special：字符设备文件：与输入输出有关，用于模仿串行IO设备如打印机，终端，网卡等；块设备文件：磁盘
4、管道文件：进程间通信
5、套接字：网络通信

五、文件的逻辑结构：用户的角度看文件，由用户的访问方式确定
分为流式文件和记录是文件，结构如下图左（流式）右（记录式）

还有树形结构

还可以组织成堆，顺序，索引，索引顺序，散列等结构

六、典型的文件逻辑结构和文件存取
1、流式文件：构成文件的基本单位是字符，文件本身使有逻辑意义、无结构的一串字符的集合
2、记录式文件：文件由若干个记录组成，可以按照记录进行读写查找等操作，每条记录都有内部结构。

3、对文件的存取有两种方式：
3.1、顺序存取访问：打开文件时文件指针指向第一个字符，访问一个往后移一个字节
3.2、随机存取访问：提供读写位置和接口，例如Unix的seek操作

存储介质和物理块

典型的存储介质：磁盘（包括固态硬盘ssd），磁带，光盘，U盘等
物理块（Unix/Linux下的块block，Windows下的簇cluster）
1、物理块使存储、传输、分配的独立单位
2、存储设备划分为大小相等的物理快，统一编号

管理磁盘空间的数据结构

一、位图：
1、用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每个物理快对应一位，已分配的物理快为0，否则为1
2、申请物理块时，可以在位图中查找为1的为，返回其对应的物理块号
3、归还时，将对应物理块的位置为1
二、空闲块表
1、将所有空闲块记录在一个表中，即为空闲块表
2、表中的内容主要有两项：起始块号，块数
三、空闲块链表
1、把所有空闲物理块链成一个链
2、扩展：将物理快空间合并成组，然后链接物理块组（Unix）

数据结构中的块数通过特定计算得到磁盘中的物理地址

文件结构、属性，基本操作，文件目录和目录文件

一、文件控制块和文件目录
文件控制块file control block，FCB，
1、是操作系统为了方便管理文件呢设置的数据结构，保存管理文件所有的有关信息。
2、又叫文件属性或元数据。
3、元数据：数据的数据，为了方便管理文件需要一些相应的信息，这些信息同样以文件的方式存储在磁盘上，所以又叫元数据

二、文件常用属性：
文件名，文件号，文件大小，文件地址，创建时间，最后修改时间，最后访问时间。保护，口令，创建者，当前拥有者，文件类型，共享计数，标志（只读，隐藏，系统，归档，ASCII/二进制，顺序/随机访问，临时文件，锁）

三、基本文件操作：
Create创建
Delete删除
Open打开
Close关闭
Read读
Write写
Append追加内容
Seek定位文件指针
Get attributes获取属性
Set attributes设置属性
Rename重命名

1、使用基本文件操作实现其他文件操作：
例如拷贝的实现思路：
1.1、打开源文件，读取所有内容
1.2、创建宿文件，写入内容
1.3、关闭源文件，宿文件

四、文件目录，目录项，目录文件
1、文件目录
1.1、统一管理里每个文件的元数据，以支持文件名到文件物理地址的转换
1.2、将所有文件的管理信息组织在一起，构成文件目录
2、目录文件
2.1、将文件目录以文件的形式存放在磁盘上
3、目录项
3.1、构成文件目录的基本单元
3.2、目录项可以是FCB，目录是文件控制块的有序集合

五、文件目录结构的演化：
1、从一级目录到二级目录到树形目录，
2、一级目录下所有文件都在根目录下，
3、二级目录下根目录按照用户进行划分，每个用户的所有文件都在自己的用户目录下，而不是直接的根目录下
4、树形目录就是现在常用的多级目录结构，每个目录下都可以新建目录

六、和目录相关的概念：
路径名（文件名）
1、绝对路径名：从根目录开始
2、相对路径名：从当前目录开始，当前目录又叫工作目录
可以对目录进行的操作：
1、创建删除
2、读写，改名复制

目录文件之间的联系

文件的物理结构

一、文件在存储介质上的存放方式，主要解决两个问题：
1、若一个文件被划分成N块，这N块在磁盘上是怎么存放的
2、其地址（块号和簇号）在FCB中式怎样记录的

二、文件连续（顺序）存储
1、文件的信息存放在若干连续的物理块中

2、FCB中记录文件的第一个物理块的地址，然后记录文件的长度，可以记录文件占用物理块的个数，或者式字节长度换算成物理块，就可以找到顺序存放的文件在物理存储介质中的位置。

3、连续存储结构的优缺点
优点：
a、实现简单
b、支持顺序或随机存放
c、所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少
d、可以同时读入多个快，检索一个块也很容易
缺点：
a、文件不能动态增长，只能预留空间或重新分配和移动
b、不利于文件插入删除
c、会产生磁盘碎片，需要使用特定的紧缩技术减少或消除磁盘碎片

三、链接结构：
1、一个文件的信息存放在若干个不连续的物理块中，各块之间通过指针链接，前一个物理块指向下一个物理块，位于链条最后一位的物理块的指针指向0（null）

2、链接结构的文件在FCB中只需要存放第一个物理块的地址就可以了，后续内容可以通过链条中每个节点的指针获取到。

3、链条结构的优缺点：
优点：
a、提高了磁盘空间利用率，不存在外部碎片问题
b、有利于文件插入和删除
c、有利于文件动态扩充
缺点：
a、存取速度慢，不适于随机存取
b、可靠性问题，例如指针可能出错
c、寻道次数更多，寻道耗时更长
d、链接指针占用一定的空间

4、对链接结构的一个变形，引入文件分配表FAT（Windows）
4.1、文件分配表，不使用物理块中的空间存放指针信息，而是将所有物理块的指针集中存放在一张表中，这张表就是文件分配表，文件分配表中的每一行对应了一个物理块

四、索引结构
1、一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中
2、系统为每一个文件建立一个专用数据结构：索引表，并将这些物理快的块号存放在该索引表中
3、索引表就是磁盘块地址数组，其中第i个条目指向文件的第i块
4、索引表大小不固定，不宜直接放在FCB中，而是在FCB中扩展一个字段存放索引表的物理块的地址

例如文件A顺序占用了物理块1，3，5，9，34，文件A的索引表中的内容就是{1，3，5，9，34}，将这个索引表存放在物理块35中，文件A的FCB中的索引表字段就是35，标识索引表存放在物理块35中。

5、索引结构的优缺点：
优点：
a、保持了链接结构的优点，解决了链接结构的缺点
b、支持顺序存取和随机存取
c、满足了文件动态增长、插入删除的要求
d、能充分利用磁盘空间
缺点：
a、较多的寻道次数和寻道时间
b、索引表本身带来了系统开销，如内存，磁盘空间和存取时间

6、当索引表很大，需要多个物理块存放时的方案：
6.1、链接方式：一个盘块存一个索引表，多个索引表链接起来
6.2、多级索引方式：将文件的索引表地址存放在另一个索引表中
6.3、综合模式：直接索引和间接索引方式结合

五、Unix文件系统采用的是多级索引结构，就是综合模式
1、每个文件的主要索引有15个索引项，位于FCB中，每项2个字节
2、前12项直接存放文件的物理块号，用于直接寻址
3、如果文件大于12块，则利用第13项指向一个物理块，该物理块中存放的是一级索引表，就是次级索引表
4、假设磁盘扇区大小为512字节，物理块大小等于扇区块大小，存放在物理块中一级索引表最大可以存放256个物理块号，一级索引表只存放物理块，
5、对于更大的文件还可以利用第14和15项作为二级和三级索引表
6、第14项的二级索引表中的每一项都指向一个一级索引表，第15项的三级索引表中的每一项都指向一个二级索引表。
7、计算得出，Unix中一个文件最大可以达到：12+256+256²⁺²⁵⁶3个块