14 操作系统第四章文件管理文件逻辑结构文件目录结构

文章目录

1 初识文件管理
- 1.1文件属性
- 1.2 文件内部的数据应该怎样组织起来？
- 1.3 文件之间应该怎样组织起来？
- 1.4 操作系统应该向上提供哪些功能？
- 1.5 文件应如何存放在外存？
- 1.6 文件系统总览
2 文件逻辑结构
- 2.1 文件分类
- 2.2 顺序文件
- 2.3 索引文件
- 2.4 索引顺序文件
- 2.5 多级索引顺序文件
- 2.6 文件逻辑结构小结
3 文件目录结构
- 3.1 文件控制块
- 3.2 目录结构——单级目录结构
- 3.3 目录结构——两级目录结构
- 3.4 目录结构——多级目录结构（树形目录结构）
- 3.5 目录结构——无环图目录结构
- 3.6 索引结点（FCB的改进）
- 3.7 文件目录小结

1 初识文件管理

文件——就是一组有意义的信息/数据集合

文件系统核心问题：

计算机中存放了各种各样的文件，一个文件有哪些属性？文件内部的数据应该怎样组织起来？文件之间又应该又应该怎么组织起来？

从下往上看，OS应提供哪些功能，才能方便用户、应用程序使用文件？

从上往下看，文件数据应该怎么存放在外存（磁盘）上？

1.1文件属性

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：指明文件的类型

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）

大小：指明文件大小

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

1.2 文件内部的数据应该怎样组织起来？

无结构文件（如文本文件）——由一些二进制或字符流组成，又称“流式文件”

有结构文件（如数据库表）——由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”

数据项是文件系统中最基本的数据单位
记录是一组相关数据项的集合

1.3 文件之间应该怎样组织起来？

1.4 操作系统应该向上提供哪些功能？

“创建文件”，（点击新建后，图形化交互进程在背后调用了“create系统调用”）

“读文件”，将文件数据读入内存，才能让CPU处理（双击后， “记事本”应用程序通过操作系统提供的“读文件”功能，即read系统调用，将文件数据从外存读入内存，并显示在屏幕上）

“写文件”，将更改过的文件数据写回外存（我们在“记事本”应用程序中编辑文件内容，点击“保存”后， “记事本”应用程序通过操作系统提供的“写文件”功能，即write系统调用， 将文件数据从内存写回外存）

“删除文件”（点了“删除”之后，图形化交互进程通过操作系统提供的 “删除文件”功能，即delete系统调用，将文件数据从外存中删除）

1.5 文件应如何存放在外存？

1.6 文件系统总览

2 文件逻辑结构

2.1 文件分类

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操作系统中的.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）

有结构文件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。

定长记录

可变长记录

2.2 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。

假设：已经知道了文件的起始地址（也就是第一个记录存放的位置）
思考1：能否快速找到第i个记录对应的地址？（即能否实现随机存取）
思考2：能否快速找到某个关键字对应的记录存放的位置？

结论：定长记录的顺序文件，若物理上采用顺序存储，则可实现随机存取；
若能再保证记录的顺序结构，则可实现快速检索（即根据关键字快速找到对应记录）

注：一般来说，考试题目中所说的“顺序文件”指的是物理上顺序存储的顺序文件。之后的讲解中提到的顺序文件也默认如此。
可见，顺序文件的缺点是增加/删除一个记录比较困难（如果是串结构则相对简单）

2.3 索引文件

对于可变长记录文件，要找到第i个记录，必须先顺序第查找前i-1个记录，但是很多应用场景中又必须使用可变长记录。如何解决这个问题？

索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第i个记录对应的索引项。

可将关键字作为索引号内容，若按关键字顺序排列，则还可以支持按照关键字折半查找。

每当要增加/删除一个记录时，需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度，因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合。

2.4 索引顺序文件

思考索引文件的缺点：每个记录对应一个索引表项，因此索引表可能会很大。

比如：文件的每个记录平均只占8B，、而每个索引表项占32个字节，那么索引表都要比文件内容本身大4倍，这样对存储空间的利用率就太低了。

索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中，同样会为文件建立一张索引表，但不同的是：并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。

若一个顺序文件有10000个记录，则根据关键字检索文件，只能从头开始顺序查找（这里指的并不是定长记录、顺序结构的顺序文件），平均须查找5000个记录。

若采用索引顺序文件结构，可把10000个记录分为V10000=100组，每组100个记录。则需要先顺序查找索引表找到分组（共100个分组，因此索引表长度为100，平均需要查50次），找到分维后，再在分组中顺序查找记录（每个分组100个记录，因此平均需要查50次）。可见，采用索引顺序文件结构后，平均查找次数减少为50+50=100次。

同理，若文件共有10⁶个记录，则可分为1000个分组，每个分组1000个记录。根据关键字检索一个记录平均需要查找500+500=1000次。这个查找次数依然很多，如何解决呢？

2.5 多级索引顺序文件

为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立多级索引表。

例如，对于一个含10⁶个记录的文件，可先为该文件建立一张低级索引表，每100个记录为一组，故低级索引表中共有10000个表项（即10000个定长记录），再把这10000个定长记录分组，每组100个，为其建立顶级索引表，故顶级索引表中共有100个表项。

2.6 文件逻辑结构小结

3 文件目录结构

文件目录结构即我们很熟悉的Windows操作系统的“文件夹”

3.1 文件控制块

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、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）。最重要，最基本的还是文件名、文件存放的物理地址。

FCB实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现“按名存取”

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：用户可以请求显示目录的内容，如显示该目录中的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）

早期操作系统并不支持多级目录，整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，确定不重名后才能允许建立文件，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。

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 Flie Directory）。

3.4 目录结构——多级目录结构（树形目录结构）

用户（或用户进程）要访问某个文件时要用文件路径名标识文件，文件路径名是个字符串。各级目录之间用“/”隔开。从根目录出发的路径称为绝对路径。

系统根据绝对路径一层一层地找到下一级目录。

刚开始从外存读入根目录的目录表；找到“照片”目录的存放位置后，从外存读入对应的目录表；再找到“2015-08”目录的存放位置，再从外存读入对应目录表；最后才找到文件“自拍.jpg”的存放位置。整个过程需要3次读磁盘I/0操作。

很多时候，用户会连续访问同一目录内的多个文件（比如：接连查看“2015-08”目录内的多个照片文件），显然，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”。

引入“当前目录”和“相对路径”后，磁盘I/O的次数减少了。这就提升了访问文件的效率。

树形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，树形结构不便于实现文件的共享。为此，提出了“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（共享同一目录下的所有内容）。

需要为每个共享结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结点。用户提出删除结点的请求时，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结点。

只有共享计数器减为0时，才删除结点。
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，那么所有用户都可以看到文件数据的变化。

3.6 索引结点（FCB的改进）

其实在查找各级目录的过程中只需要用到“文件名”这个信息，只有文件名匹配时，才需要读出文件的其他信息。因此可以考虑让目录表“瘦身”来提升效率。

当找到文件名对应的目录项时，才需要将索引结点调入内存，索引结点中记录了文件的各种信息，包括文件在外存中的存放位置，根据“存放位置”即可找到文件。

存放在外存中的索引结点称为“磁盘索引结点”，当索引结点放入内存后称为“内存索引结点”。

相比之下内存索引结点中需要增加一些信息，比如：文件是否被修改、此时有几个进程正在访问该文件等。

思考有何好处？

假设一个FCB是64B，磁盘块的大小为1KB，则每个盘块中只能存放16个FCB。若一个文件目录中共有640个目录项，则共需要占用640/16=40个盘块。因此按照某文件名检索该目录，平均需要查询320个目录项，平均需要启动磁盘20次（每次磁盘I/O读入一块）。
若使用索引结点机制，文件名占14B，索引结点指针站2B，则每个盘块可存放64个目录项，那么按文件名检索目录平均只需要读入320/64=5个磁盘块。显然，这将大大提升文件检索速度。

3.7 文件目录小结

每一级目录结构都是解决了上级目录结构留下的问题