操作系统学习之文件管理：

一.文件的逻辑结构：

1.无结构文件：文件的内部的数据就是一系列的二进制流或字符流组成，又称为流式文件（Windows操作系统中的.txt文件）。

2.有结构文件:由一组相似的记录组成，又称记录式文件，每条记录又由若干条数据项组成。根据各条纪录的长度（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。

3.顺序文件：文件中的记录一个挨着一个顺序的排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。

分为链式存储和顺序存储：

链式存储：无论是定长或者可变长记录，都无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找。

顺序存储：分为可变长记录和定长记录

可变长记录：无法实现随机存取。每次只能从第一个记录开始依次往后查找。

定长记录：可实现随机存取，记录长度为L，则第i个记录存放的相对位置是i*L。若采用串结构，无法快速找到某关键字对应的记录，若采用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录。

4.索引文件：

（1）建立一个索引表以加快文件检索速度，每条记录对应一个索引项。各个记录不用保持顺序。

（2）索引表本身是定长记录的顺序文件。一个索引表项就是一个定长记录，因此可以快速的找到第i个记录对应的索引项。

（3）若索引表按关键字顺序存储，则可支持快速检索

（4）解决了顺序文件不方便增删的问题，同时让不定长的文件实现了随机存取

5.索引顺序文件：将记录分组，每一组对应一个索引表项，检索记录时先顺序查索引表，找到分组，再顺序查找分组，当记录过多时，可建立多级索引表。

二.文件目录：

1.文件控制块（FCB）:

FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。FCB中包含了文件的基本信息（文件名，物理地址，逻辑地址，物理结构等），存取控制信息（是否可读、可写、禁止访问用户名单等），使用信息（文件的建立时间，修改时间）。FCB实现了文件名和文件之间的映射，使用户可以实现按名存取。

2.目录结构：

（1）单级目录结构：单级目录结构实现了按名存取，但是不允许文件重名。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到目录表中。

（2）两级目录结构：分为主文件目录和用户文件目录。主文件目录记录用户名及其相应用户文件目录存放的位置。用户文件目录由该用户文件的PCB组成。两级目录结构允许不同用户的文件重名，也可以在目录上实现访问控制，但是两级目录不能对自己的文件进行分类。

不同目录下的文件可以重名，可以多文件进行分类。但不方便文件共享。系统根据文件路径找到目标文件。从根目录处罚的路径是绝对路径。从当前目录出发的路径是相对路径。

（4）无环图目录结构：

在树形目录结构的基础上，增加一些指向同一节点的又项边，使整个目录成为一个有向无环图。

为共享结点设置一个共享计数器，计数器为0时才真正删除该节点。

3.索引结点（FCB的改进）

（1）除了文件名之外的所有文件信息都放到索引节点中，每个文件对应一个索引节点

（2）目录项中只包含文件名，索引结点指针，因此每个目录项的长度大大减小。

（3）由于目录项的长度减小，因此每个磁盘块可以存放更多个目录项，因此检索文件时磁盘I/O的次数就少了很多。

三.文件的物理结构（文件的分配方式）：

1.文件块，磁盘块：文件的逻辑地址被分为了一个一个的文件“块”，文件的逻辑地址可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。

操作系统为文件分配存储空间都是以块为单位的。用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统要负责从逻辑地址到物理地址的映射。

2.文件的分配方式：

（1）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。连续分配支持顺序访问和直接访问（随机访问）。

物理块号=起始块号+逻辑块号

优点**：支持顺序访问和直接访问（随机访问）；连续分配的文件在顺序读/写时速度最快。**

缺点：不方便文件拓展；存储空间利用率低，会产生磁盘碎片。

（2）链式分配：采用离散的分配方式，可以将文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显示链接

隐式链接：除了文件的最后一个盘快之外，每个盘块中都存下一个指向下一个盘块的指针。文件目录包括第一块的指针和最后一块的指针。只支持顺序访问，不支持随机访问

优点：很方便文件拓展，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。

显示链接：把用于链接文件的各物理块的指针显式的存放在一张表中，即文件分配表（FAT）。一个磁盘只会建立一张文件分配表。开机时分配表放入内存中，并常驻内存。

优点：很方便文件扩展，不会有碎片问题，外存利用率高，支持随机访问，和隐式链接相比，地址转换不需要访问磁盘，文件访问效率更高。

缺点：文件分配表需要占用一定的存储空间。

（3）索引分配：索引分配允许文件离散的分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表记录了文件的各个逻辑块对应的物理块。索引表存放的磁盘块称为索引块，文件数据存放的磁盘成为数据块。

链接方案：如果一个索引表太大，一个索引块装不下，可以将多个索引块链接起来存放。

多层索引：建立多层索引，使第一层索引块指向地热层索引快，还可根据文件大小的要求建立第三，第四索引块。

混合索引：多种索引方式的结合。

3.各种分配方式的比较：

四.文件的物理结构和逻辑结构的区别：

1.逻辑结构：用户（文件创建者）的视角。在用户看来，整个文件占用连续的逻辑地址空间。文件内部的信息组织完全由用户自己决定

2.物理结构：由操作系统决定文件采用什么样的物理结构存储。操作系统负责将逻辑地址转变为（逻辑块号，块内偏移量）的形式，并负责实现逻辑块号到物理块号的映射。

五.文件的存储空间的管理：

1.存储空间的划分与初始化：将各个文件卷划分为目录区和文件区。目录区主要存放文件目录信息（FCB），空闲表，位示图，超级快表，用于磁盘存储空间管理的信息。文件区用于存放文件数据。

2.存储空间管理的方法：

（1）空闲表法：为文件分配连续的存储空间，可采用首次适应，最佳适应，最坏适应，算法来决定要为文件分配那个区间。

（2）空闲链表法：空闲盘快链：以盘快为单位组成一条空闲链

空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链（连续的空闲盘块组成空闲盘区）

分配：若文件申请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的盘块区，分配给文件，若没有合适的连续空闲块，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，盘区大小等的数据。

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空闲盘区挂到链尾。

（3）位示图法：一个二进制表示对应一个盘块。

如何分配：若需要k个块（1）顺序扫描位示图，找到k个相邻或者不相邻的0（2）根据字号，位号算出对应的盘块号，将相应的盘块分配给文件（3）将相应的位设置为1

如何回收：（1）根据回收的盘块号计算出对应的字号，位号（2）将相应的二进制位设为0

（4）成组链接法：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。

六.文件的基本操作：

1.创建文件（create系统调用）：

进行Create系统调用时，需要提供几个参数：

（1）所需的外存空间的大小（2）文件存放的路径（3）文件名

调用create系统调用时，主要做了两件事：（1）在外存中找到文件所需的空间（2）创建文件对应的目录项

2.删除文件（delete系统调用）：

进行delete系统调用时，需要提供的参数：（1）文件存放路径（2）文件名

系统在处理Delete系统调用时，主要做的几件事：（1）根据目录找到文件对应的目录项（2）回收文件占用的磁盘块（3）删除文件对应的目录项

3.读文件（read系统调用）：

操作系统在处理read系统调用时，会从读指针指向的外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中。

4.写文件（write系统调用）：

操作系统在处理write系统调用时，会从用户指定的内存区域中，将指定大小的数据写回写指针指向的外存中。

5.打开文件（open系统调用）：

打开文件需要提供的参数：（1）文件的存放路径（2）文件名（3）要对文件的操作类型（ r:只读；rw:读写等）

操作系统在处理open系统调用时，主要要做的几件事：（1）找到文件名对应的目录项（2）将目录项复制到内存中的打开文件表中，用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件。

6.关闭文件（close系统调用）：

关闭文件操作处理Close系统调用时，主要做了几件事：

（1）将进程的打开文件表相应的表项删除（2）回收分配给该文件的内存空间等资源（3）系统打开文件表的打开计数器count减一，若count=0.则删除对应的表项。

七.文件共享

1.硬链接：基于索引结点的共享方式

（1）各个用户的目录项指向同一个索引节点

（2）索引节点中需要有链接计数count

（3）某用户想要删除文件，只是删除该文件的目录项，且count–

（4）只有count==0时才能真正的删除文件的数据和索引节点，否则会导致指针悬空。

2.软链接（符号链接）：基于符号链的共享方式

（1）在一个link型的文件中记录共享文件的存放路径（windows快捷方式）

（2）操作系统根据路径一层层的查找目录，最终找到共享文件

（3）即使软链接指向的共享文件一杯删除，link型文件依然存在，只是通过link型文件中的路径去查找共享文件会失败（找不到对应的目录项）

（4）由于用软连接的方式访问共享文件时要查找多级目录，会有多次的磁盘I/O

八.文件保护：

1.口令保护：为文件设置一个口令，用户想要访问文件时需要提供口令，由系统验证口令是否正确。

优点：保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销也很小

缺点：正确的口令存放在系统内部，不够安全

2.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：加密和解密需要花费一定的时间

3.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（ACL），该表中记录了各个用户可以对该文件执行那些操作：

精简的访问控制表：

优点：实现灵活，可以实现复杂文件的保护功能

九.文件系统的层次结构：

1.用户需要通过操作系统提供的口令发出请求——用户接口

2.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的查找目录，找到对应的目录项——文件目录系统

3.不同的用户对文件有不同的操作权限，为了保证安全，需要检查是否有访问权限——存取控制模块（存取控制验证层）

4.验证了用户的访问权限之后，需要吧用户提供的记录号转换为逻辑地址——逻辑文件系统与文件信息缓冲区

5.知道了目标记录对应的逻辑地址后，还需要转换成实际的物理地址——物理文件系统

6.要删除这条记录，要对磁盘设备发出请求——设备管理程序模块

7.删除这条记录后，会有一定的盘块空闲，因此要对这些空闲盘块回收——辅助分配模块

十.磁盘的结构：

1.磁盘，磁道，扇区：

磁盘的表面被划分成一个一个的磁道，这样的一个圈就是一个磁道。

2.如何在磁盘中读写数据：把磁头移动到想要读写的扇区所在的磁道，磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读写操作。

3.盘面，柱面：

（1）磁盘有多个盘片叠起来，每个盘片有两个盘面

4.磁盘的物理地址：可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个磁盘块

根据该地址读取一个块：

（1）根据柱面号移动磁臂，让磁头指向指定柱面（2）激活指定盘面对应的磁头（3）磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从刺头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读写。

5.次盘的分类：

(1)固定头磁盘（每个磁道有一个磁头）(2)移动头磁盘（每个盘面只有一个磁头）

根据磁盘是否可更换：（1）固定盘磁盘（2）可换盘磁盘

十一.磁盘调度算法：

1.一次磁盘读写操作所需要的时间：

2.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

缺点：如果有大量的进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，寻道时间长

3.最短寻找时间优先算法（SSTF）:优先处理的时磁道与当前磁头最近的磁道。

优点：性能较好，平均寻道时间短

缺点：可能产生“饥饿”现象（产生饥饿的原因：磁头有可能在一个小区域内来回的移动）

4.扫描算法（SCAN）: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，又称电梯算法。

优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象

缺点：对于各个位置磁道的响应频率不平均

5.LOOK调度算法：如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头的移动方向（边移动边观察）

优点：不需要每次都移动到最外侧或者最内侧才改变磁头的移动方向，使寻道时间进一步缩短。

6.循环扫描算法（C-SCAN）:只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求。

优点：对于各个位置磁道的响应频率很平均

缺点：和SCAN算法比起来平均寻道时间更长

7.C-LOOK算法：只要在磁头移动的方向上不再有请求，就立即让磁头返回

优点：和C-SCAN比起来，不需要每次都移动到最外侧才改变磁头的方向

十二.减少延迟时间的方法：

1.采用交替编号的方法：让编号相邻的扇区在物理上不相邻

原理：读取完一个扇区后需要一段时间处理才可以继续读入下一个扇区

2.错位命名：让相邻盘面的盘区编号“错位”

原理：与交替编号的原理相同，可降低延迟时间

3.磁盘地址采用（柱面号，盘面号，扇区号）的原因：在读取地址连续的磁盘块时，不需要移动磁头

十三.磁盘的管理：

1.磁盘的初始化：

（1）进行低级格式化（物理格式化），将磁盘的各个磁道划分为扇区

（2）将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即分为C盘，D盘，E盘）

（3）进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统的根目录，初始化存储空间管理所用的数据结构（位示图，空闲分区表）

引导块：

（1）计算机开机时需要进行一系列的初始化工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序（自举程序）完成的。

（2）完整的自举程序放在磁盘的启动块（即引导块）上，启动块位于磁盘的固定位置。

（3）ROM:ROM中只存放很小的自举装入程序。开机时计算机先运行自举装入程序，通过执行该程序就可找到引导块，并将完整的自举程序读入内存，完成初始化。
坏块的管理（硬件故障）：

（1）简单的磁盘：逻辑格式化时将坏块标记出来

（2）复杂的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并管理备用扇区