第五章 文件系统

操作系统对系统的软件资源的管理都以文件方式进行，承担着部分功能的操作系统称为文件系统。

本章介绍文件的逻辑组织和在文件存储器上的物理组织；实现“按名存取”和文件共享、保护的文

件系统目录的结构和管理；文件存储空间分配和回收算法和文件系统的磁盘格式；文件系统的安全

性。

一、文件系统概述

1.文件

定义和命名：

文件是存贮在某种介质(磁盘、磁带)上的并具有文件名的一组有序信息的集合。

文件名是有字符和数字组成

2.与文件相关的概念

(1)数据项：描述一个对象的某些属性的字符集，它是数据的基本单位，一个数据项有一个值

(2)记录：一组相关数据项的集合，用于描述某一个对象某方面的属性。

(3)文件：文件是具有文件名的一组相关记录的集合

(4)数据库：相关数据的集合

(5)文件系统：是操作系统以文件方式管理计算机软件和被管理的文件以及数据结构的集合

系统的角度：文件系统是对文件存储器的存储空间进行组织、分配和回收，负责文件的

存储、检索、共享和保护。

用户的角度：实行按名存取，用户只需要知道所需文件的文件名，无需知道文件存放在哪

(6)文件系统的类型

FAT文件系统(MS-DOS、也能由Windows98系统访问)  NTFS系统(Windows NT)

3.文件管理的目的：

(1)方面用户访问和控制

(2)并发文件访问和控制

(3)统一的用户接口：不同设备提供同样的接口，方便用户操作和编程

(4)多种文件访问权限：多用户系统中的不同用户对同一文件会有不同的访问权限

(5)优化性能

(6)差错恢复

4.文件的组织

用户观察到的文件组织为文件的逻辑结构

文件在外存上存储组织形式称为文件的逻辑物理结构

文件存取方法：顺序存取法、随机存取法、按键存取法

5.文件的类型

按照逻辑结构划分：记录式文件(位图块啦、索引文件啦)，流式文件：由一串信息组成，

文件内信息不可再划分可独立的单位

二、如何从磁盘上找到文件

文件控制块FCB----通过FCB可以从磁盘上找到对应的文件

系统为每个文件设置用户描述和控制文件的数据结构，至少包括文件名和存放文件的盘物理

地址。文件目录就是文件控制块FCB的有序集合。

FCB包括：1.基本信息----文件名、文件的物理地址

2.存取控制信息----文件的存取权限

3.使用信息类----文件建立日期、最后修改日期、最后访问日期，当前使用信息

三、如何在磁盘上存储文件

步骤:

1.对外存分块(物理块)

2.对文件分页(逻辑快)

3.外存分配方法：连续分配、链接分配、索引分配，相应的物理文件：顺序文件、链接文件

、索引文件

1)连续分配：把文件存储到磁盘连续的物理盘块中所形成的文件称为顺序文件，这种方

式保证逻辑文件中的逻辑记录顺序和存储器中文件占用盘块顺序一致性。但不利于文件的扩充

2)链接分配：逻辑文件存储到外存上时，可装入离散的多个盘块，只在每个盘块最后一

个单元设置链接指针，用链接指针将这些离散的盘块链接成一个队列，这样形成的物理文件称为

链接文件。优点是盘存储空间利用率高，文件增删改记录方便。缺点是在随机存取某一个记录前

需要用多次盘I/O操作读取该记录前的文件信息以取得该记录的盘块号。

3)索引分配：系统为加快记录的检索过程，为每个文件建立一张索引表，每个逻辑块在

索引表中占有一个表项，登记存放该逻辑块的盘块号。在FCB中放置索引表指针，指向索引表始址

索引链、一级索引、二级索引、三级索引

盘块大小、盘块号大小。不解释

索引文件的缺点是当文件很大时索引表很庞大，占用许多盘空间

4.采取文件存取方式主要取决于用户的要求和存储介质的特性

四、文件的目录和管理

文件管理实际上是对辅助存储空间的管理

文件管理的主要功能是管理用户信息的存储、检索、更新、共享、保护

目录结构：

单级目录，整个文件只建立一张目录表，每个文件占一个表目，单级目录结构简单，能实现

目录的基本功能--按名存取，但存在查找速度慢，不允许重名，不便于实现文件共享

多级目录，提高检索目录的速度，解决了重名问题，只要不在同一目录下就可以只用同名

相对路径：每访问一个文件都要使用从根目录开始搜索直到树叶的数据文件为止，由于一个

进程运行时访问的文件大多局限在某个范围内，基于这一点，可为每个用户进程设置一个当前目录

，又称工作目录，进程对个文件的访问都相对于工作目录。

绝对目录：从根目录开始的路径称为绝对路径名。

文件共享：

文件共享是指不同的用户使用不同的用户名来使用同一个文件

五、内存目录管理

1.目录查询技术

为了实现按名存取，系统首先利用用户提供的用户名，对文件目录进行查找，找出该文件的

FCB，然后根据FCB所记录的文件物理地址，并根据文件物理组织方式文件的盘块号，进而换算出

文件在磁盘上的物理位置(柱面号、磁头号、扇面区)

总的就是：文件名--文件的FCB--物理地址--文件盘块号--文件在磁盘上的物理位置

2.文件操作常用系统调用

建立(create)、打开(open)、写(write)、读(read)--必须显示提出、关闭(close)、删除(delete)

注意：

打开文件：在磁盘目录中找到该文件的FCB，拷到内存，建立内存的目录管理表

关闭文件：将已修改的内存文件目录信息及时写回磁盘目录中，并释放文件的目录表目

空间供其他进程使用

六、磁盘空闲块管理

1.空闲表法：连续分配方法，为外存上所有空闲区建立一张空闲表，每个空闲区对应一个空闲

表项，包括序号、该空闲区的第一盘块号，盘块数等。缺点是需要专门盘区来存放空闲表，少采用

2.位示图法：利用二进制的一位来表示磁盘中的一个块的使用情况，0表示空闲，1表示已分配

由所有盘块所对应的位形成了一个集合称为位示图，用磁盘块存放，称为位图块。

优点是位示图描述能力强，位示图较小，可以复制到内存，使查找方便又快速。

3.空闲区链接法：空闲盘区链接在一个队列里。

优点是不需专用块存放管理信息，缺点是分配回收多块空闲块时需增加盘I/O操作

七、安全和保护

1.人为因素：人们有意无意的行为对文件系统的数据造成破坏和丢失

措施：通过存取控制机制来防止人为因素。存取控制表，在存取控制矩阵上加权限，按照权

限进行分类

2.系统因素：系统某部分出现异常

措施：通过磁盘容错技术

3.自然因素：放在磁盘上的数据，随着时间的推移将可能发生溢出或逐渐消失

措施：后备系统，及备份