操作系统之文件管理系统
操作系统之文件管理系统
一、初识文件管理
一、前景回顾
二、文件的属性
- 一个文件有哪些属性：
- 文件名：由创建文件的用户决定文件名，主要是为了方便找到用户找到文件，同一目录下不允许有重名文件。
- 标识符：一个系统内的各文件标识符唯一，对用户来说毫无可读性，因此标识符只是操作系统用于区分各个文件的一种内部名称。
- 类型：指明文件类型。
- 位置：文件存放的路径（让用户使用）、在外存中的地址（操作系统使用，对用户不可见）
- 创建时间、上次修改时间
- 文件所有者信息
- 保护信息：对文件进行保护的访问控制信息。
三、文件内部的数据应该怎样组织起来？
四、文件之间应该怎样组织起来
五、操作系统应该向上提供哪些功能
六、从上往下看，文件应该如何存放在外存
七、其他由操作系统实现的文件管理功能
八、知识回顾
二、文件的逻辑结构
一、知识总览
二、有文件结构
- 按文件是否有结构分类，可以分为无结构文件、有结构文件两种。
- 无结构文件：文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称“流式文件”：如：Windows操作系统的
.txt文件。 - 有结构文件：由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”。每条记录又若干个数据项组成。如：数据库表文件。一般来说，每条记录有一个数据项可作为关键字（作为识别不同记录的ID）。根据各条记录的长度（占用的存储空间）是否相等，又可分为定长记录和可变长记录两种。
三、顺序文件
- 顺序文件：文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。
四、索引文件
五、索引顺序文件
六、索引顺序文件（检索效率分析）
七、多级索引顺序文件
八、知识回顾
三、文件目录
一、知识总览
二、文件控制块
- 需要对目录进行哪些操作？
- 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：创建一个新文件时，需要在其所属的目录中增加一个目录项
- 删除文件：当删除一个文件时，需要在目录中删除相应的目录项。
- 显示目录：用户可以请求显示在目录的内容，如显示该目录中的所有所有文件及相应属性
- 修改目录：某些文件属性保存在目录中，因此这些属性变化时需要修改相应的目录项（如：文件重命名）
三、目录结构–单级目录结构
- 早期操作系统都不支持多级目录，这个系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。
- 单级目录实现了“按名存取”，但是不允许文件重命名。
- 在创建一个文件时，需要先检查目录表中有没有重名文件，确定不重名后才允许建立文件，并将新文件对应的目录项插入目录表中。
- 显然，单级目录结构不适用于多用户操作系统。
四、目录结构–两级目录结构
- 早期的多用户操作系统，采用两级目录结构。分为主文件目录（
MFD，Master File Directory）和用户文件目录（UFD，User File Directory）。
五、目录结构–多级目录结构
例如：”C：/
ktf/…".每次都从根目录开始查找，是很低效的。因此可以设置一个“当前目录”。例如：此时已经打开了“照片”的文件目录，也就是说，这张目录表已调入内存，那么可以把它设置为“当前目录”。当用户想要访问某个文件时，可以使用从当前目录出发的“相对路径”。
在Linux中，“.“表示当前目录，因此如果”照片“是当前目录，则”自拍.
png“的相对路径为”./自拍.png"。树型目录结构可以很方便地对文件进行分类，层次结构清晰，也能够更有效地进行文件的管理和保护。但是，树型结构不便于实现文件的共享。为此，提出了”无环图目录结构“。
六、目录结构–无环图目录结构
- 可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录（共享同一个目录下的所有内容）。
- 需要为每个共享节点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该节点。用户提出删除节点的请求时，只是删除该用户的
FCB、并使共享计数器减1，并不会直接删除共享节点。 - 只有共享计数器减为0时，才删除节点。
注意：共享文件不同于复制文件，在共享文件中，由于各用户指向的是同一个文件，因此只要其中一个用户修改了文件数据，那么所有的用户都可以看到文件数据的变化。
七、索引节点（FCB的改进）
八、知识回顾
四、文件的物理结构（文件分配方式上）
一、知识总览
二、文件块、磁盘块
三、文件分配方式–连续分配
- 连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。
- 结论：物理上采用连续分配，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片，可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。
四、连续分配总结
- 连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一块连续的块。
- 优点：支持顺序访问和直接访问（即随机访问）；连续分配的文件在顺序访问时速度最快。
- 缺点：不方便文件扩展；存储空间利用率低，会产生磁盘碎片。
五、文件分配方式–链接分配
- 链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散地磁盘块。分为隐式链接和显示链接两种。
六、链接分配–隐式链接
七、链接分配–隐式链接
- 链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显示链接两种。
- 隐式链接–除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
- 优点：很方便文件扩展，不会有碎片问题，外存利用率高。
- 缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
八、链接分配–显式链接
- 显示链接：把用于链接文件个物理块的指针显式地存放在一张表中。即文件分配表（ FAT, File Allocation Table）
九、链接分配总结
五、文件的物理结构（文件分配方式下）
一、知识总览
二、文件分配方式–索引分配
- 索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中页表–建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。
链接方案：如果索引太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。
多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引快指向第二层的索引块，还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。
- 混合索引：多种索引分配方式的结合。例如：一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表）。
三、索引分配(总结)
四、知识总结
六、文件存储空间管理
一、知识总览
二、存储空间的划分与初始化
- 安装Windows操作系统的时候，一个必经步骤是–为磁盘分区（C：盘，D：盘）
三、存储空间管理–空闲表法
- 空闲表法：适用于“连续分配方式”
四、存储空间管理–空闲链表法
- 操作系统保存着链头、链尾指针。
- 如何分配：若某文件申请K个盘块，则从链头开始一次摘下K个盘分块，并修改空闲链的链头指针。
- 如何回收：回收的盘块一次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。（适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作。）
- 操作系统保存着链头、链尾指针。
- 如何分配：若某文件申请K个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有适合的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。
- 如何回收：若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲区挂到链尾。（离散分配、连续分配都使用。为一个文件分配多个盘块时效率更高）
五、存储空间管理–位视图法
六、存储空间管理–成组链接法
- 空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统，因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。
- 文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。
七、知识回顾
七、文件的基本操作
一、知识总览
二、创建文件
三、删除文件
四、打开文件
五、读文件
六、写文件
七、知识回顾
八、文件共享
一、知识总览
注意：多个用户共享一个文件，意味着系统中只有”一份“文件数据。并且只要某个用户修改了该文件的数据，其他用户也可以看到文件数据的变化。
如果是多个用户都“复制”了同一份文件，那么系统中会有好几分文件数据，其中一个用户修改了自己的那份文件数据，对其他用户的文件数据并没有影响。
二、基于索引节点的共享方式（硬连接）
- 知识回顾：索引节点，是一种文件目录瘦身策略。由于检索文件时只需要用到文件名，因此可以将除了文件名之外的其他信息放到索引节点中。这样目录项就只需要包含文件名、索引结点指针。
- 索引结点中设置一个链接计数变量count，用于表示链接到本索引结点上的用户目录项数。
- 若count = 2, 说明此时有两个用户目录项链接到该索引节点上，或者说是由两个用户在共享此文件。
- 若某个用户决定“删除”该文件，则只是要把用户目录中与该文件对应的目录删除，且索引结点的count值减1.
- 若count > 0, 说明还有别的用户要使用该文件，暂时不能把文件数据删除，否则会导致指针悬空。
- 当count = 0 时系统负责删除文件。
三、基于符号链的共享方式（软链接）
- 当
User3访问“ccc"时，操作系统判断文件”ccc"属于Link类型文件，于是会根据其中记录的路径层层查找目录，最终找到User1的目录表中的“aaa"表项，于是就找到了文件1的索引结点。
四、知识回顾
九、文件保护
一、知识总览
二、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。用户访问文件前需要先输入“口令”，操作。系统会将用户提供的口令与FCB中存储的口令进行对比，如果正确，则允许该用户访问文件。
- 优点：保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销很小。
- 缺点：正确的“口令”存放在系统内部，不够安全。
三、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。
- 优点：保密性强，不需要在系统中存储“密码”。
- 缺点：编码/译码，或者说加密/解密要话费一定时间。
四、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。
五、知识回顾
十、文件系统的层次结构
一、文件系统的层次结构
二、知识回顾
用一个例子来辅助记忆文件系统的层次结构：
假设某用户请求删除文件“D：/工作目录/学生信息.xlsx”的最后100条记录。
- 用户需要通过文件操作系统提供的接口发出上述请求–用户接口。
- 由于用户提供的是文件的存放路径，因此需要操作系统一层一层地查找目录，找到对应的目录项–文件目录系统
- 不同的用户对文件有不同的操作权限，因此为了保证安全，需要检查用户是否有权访问权限–存取控制模块（存取控制验证层）
- 验证了用户的访问权限之后，需要把用户提供的“记录号”转变为对应的逻辑地址–逻辑文件系统与文件信息缓冲区
- 知道了删除这条记录，必定要对这些磁盘设备发出请求–设备管理程序模块。
- 删除这些记录后，会有一些盘块空闲，因此要将这些空闲盘块回收–辅助分配模块。
十一、磁盘的结构
一、知识总览
二、磁盘、磁道、扇区
三、如何在磁盘中读/写数据
四、磁盘的物理地址
五、磁盘的分类
六、知识回顾
十二、磁盘调度算法
一、知识总览
二、一次磁盘读/写操作所需要的时间
三、先来先服务算法（FCFS）
- 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度。
- 优点：公平；如果有请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去。
- 缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁盘很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长。
四、最短寻找时间优先（SSTF）
- SSTF算法会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。（其实就是贪心算法的思想，知识选择眼前的最优，但是总体未必最优）。
五、扫描算法（SCAN）
- SSTF算法会产生饥饿的原因在于：磁头有可能在一个小区域内来回来去地移动。为了防止这个问题，可以规定只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这就是扫描算法的思想。由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法。
六、LOOK调度算法
- 扫描算法（SCAN）中，只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，事实上，处理了184号磁道的访问请求之后就不需要再往右移动磁头了。LOOK调度算法就是为了解决这个问题，如果在磁盘移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向。（边移动边观察，因此也叫LOOK）
七、循环扫描算法（C-SCAN）
- SCAN算法对于各个位置磁道的相应频率不平均，而C-SCAN算法就是为了解决这个问题，规定只有磁头朝某个特定方向移动时才能处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求。
八、C-LOOK调度算法
- C-SCAN算法的主要缺点就是只有达到最边上的磁道时才能改变磁头移动方向，并且磁头返回时不一定需要返回到最边缘的磁道上。C-LOOL算法就是为了解决这个问题。如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁头访问请求的位置即可。
九、知识回顾
十三、减少延迟时间的方法
一、知识预览
二、减少延迟时间的方法：交替编号
- 采用交替编号的策略，即让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的的延迟时间更小。
三、磁盘地址结构的设计
四、减少延迟时间的方法：错位命名
五、知识回顾
十四、磁盘的管理
一、知识总览
二、磁盘初始化
三、引导块
四、坏块的管理
五、知识回顾
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