个人用书：操作系统教程 第五版 费翔林
学习视频： 王道计算机考研 操作系统.

目录

  • 文件管理
    • 文件的属性
    • 文件的逻辑结构
      • 无结构文件
      • 有结构文件
    • 文件的物理结构！！！（文件分配方式）
      • 文件的物理结构
    • 文件存储空间管理
      • 存储空间的划分与初始化
      • 存储空间管理
        • 空闲表法
        • 空闲链表法
        • 位示图法
        • 成组链接法
    • 文件的基本操作
      • 创建文件
      • 删除文件
      • 打开文件
      • 读，写文件
    • 文件共享
      • 基于符号链的共享方式
    • 文件保护
      • 口令保护
      • 访问控制
    • 磁盘的结构
      • 磁盘，磁道，扇区
      • 磁盘的分类
    • 磁盘调度算法
      • 一次磁盘读写操作需要的时间
      • 先来先服务算法FCFS
      • 最短寻找时间优先SSTF
      • 扫描算法SCAN
      • LOOK调度算法（改进的SCAN）
      • 循环扫描算法C-SCAN（改进的SCAN）
      • C-LOOK调度算法
    • 减少延迟时间的方法
      • 减少延迟时间的方法：交替编号
      • 磁盘地址结构的设计
      • 错位命名
    • 磁盘的管理
      • 磁盘初始化
      • 引导块
      • 坏块的管理

文件管理

文件的属性

  • 文件名：由创建的用户决定文件名，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，用户不可读。
  • 类型：指明文件的类型。
  • 位置：文件存放的路径（用户使用）。外存的地址（OS使用，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。

文件的逻辑结构

逻辑结构：用户看来文件内部的数据是如何组织的。

物理结构：OS看来，数据是怎么存放在外存忠的。

无结构文件

文件的内部的数据是一系列二进制流或字符流。eg：txt文件

有结构文件

由一组相似的记录组成。每条记录若干个数据项组成。eg：数据库表文件

  • 顺序文件

文件忠的记录一个接一个的排列（逻辑上）。记录可以是定长或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。

如果使用链式存储，无论定长还是可变长，每次都只能从第一个记录开始依次往后查找。

如果使用顺序存储，如果是可变长记录，无法实现随机存取。每次只能从第一个记录开始往后查找。如果是定长记录，可实现随机存取。如果使用串结构（不按关键字排序）则无法快速找到关键字对应记录。如果使用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录。

  • 索引文件

对于可变长的记录文件，要找到第i个记录，必须先找到第i-1个记录。

可以建立一张索引表加快文件检索速度。每条记录对应一个索引项。

  • 索引顺序文件

索引文件的缺点：如果每一个记录对应一个表项，索引表会很大。为了解决这个问题，一组记录对应一个索引表项。

可以先查找分组，再查找组内记录。

文件的物理结构！！！（文件分配方式）

OS需要对磁盘进行哪些管理：对非空闲磁盘块的管理，对空闲磁盘块的管理。

文件的物理结构

文件块：类似于内存的分页，磁盘的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”

  • 连续分配

要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

逻辑地址到物理地址映射：（逻辑块号，块内地址）->（物理块号，块内地址）只需要转换块号，块内地址保持不变

文件目录中记录存放的起始块号和长度。

优点：连续分配支持顺序访问和直接访问（随机访问）。补充：读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需的时间越长。结论：连续分配的文件在顺序读写的时候速度最快。缺点：如果文件A要拓展，需要增加磁盘块，必须把整个文件全部移动。如果需要创建新的文件，离散的块难以利用。
  • 链接分配

隐式链接：只记录了起始块号。用户访问i，从目录中将0读入内存，再找1，2，3…i。一共要读取i+1次。

优点：方便文件拓展。
缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问。

显示链接：用于链接文件的指针显示的存放在一张表（FAT）中。FAT读入后常驻内存。

优点:支持顺序和随机访问。不会产生外部碎片。
缺点：文件分配表需要一定的空间。
  • 索引分配

文件离散分配在各个磁盘块中，系统为每个文件建立索引表。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块称为数据块。

如果一个磁盘块装不下整张索引表：

  1. 链接方案：可以将多个索引块链接起来存放。想找到i索引块，需要先找到0-i-1号索引块。
  2. 多层索引：类似多级页表，第一层索引块可以索引第二层索引块。k层索引，访问数据块需要读k+1次。
  3. 混合索引：多种索引分配方式混合，一层索引表可以包含一级索引表，同时可以包含多层索引表。

考点：根据多层索引，混合索引的结构计算文件的最大长度。能分析访问某个数据块所需要的读磁盘次数。

文件存储空间管理

存储空间的划分与初始化

安装windows OS的时候会把磁盘分区。CDE盘等。每个文件卷分为目录区和文件区。

目录区：存放FCB，磁盘存储空间管理的信息。
文件区：存放文件数据。

存储空间管理

空闲表法

如何分配磁盘块：与内存管理中的动态分区分配很类似，为一个文件分配连续的存储空间。

如何回收磁盘块：注意回收区前后是否空闲，注意表项的合并问题。

空闲链表法

分为 空闲盘块链 和 空闲盘区链。 （多个连续的空闲或者占用的盘块可以作为一个盘区）

空闲盘块：OS保存着链头，链尾指针。

如何分配：文件申请K个盘块，从链头依次摘下K个盘块分配。

如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。

空闲盘区：OS保存着链头，链尾指针。

如何分配：需要采用首次适应，最佳适应等算法，找到符合要求的空闲盘区。也可以将不同的盘区分给一个文件，需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，需要将回收区和空闲区合并作为一个单独的盘区挂到链尾。

位示图法

每个二进制位对应一个盘块。在本例中“0”代表盘块空闲。“1”代表已分配。

！！！需要自己推出盘块号与（字号，位号）转换的公式。注意题目的盘块号，字号，位号是从0还是1开始。

（字号，位号） = （i ， j）的二进制对应的盘块号 b = ni + j。

成组链接法

空闲表法，空闲链表法不适用于大型文件系统。

文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，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的“超级块”数据一致。

超级块：需要记录下一组空虚盘块数，空闲块号。

文件的基本操作

创建文件

进行Create系统调用时，需要提供的几个参数：

  1. 所需的外存空间大小（如：一个盘块，1kb）
  2. 文件存放路径（“D:/Demo”）
  3. 文件名（这个地方默认为“新建文本文档.txt”）

OS在处理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. 根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件。在目录中创建该文件的目录项。

删除文件

进行Delete系统调用，需要提供几个参数：

  1. 文件存放路径。
  2. 文件名称。

OS处理Delete：

  1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项。
  2. 根据目录项记录的文件在外存的存放位置。
  3. 从目录表删除文件的目录项

打开文件

在很多OS中，需要open系统调用，参数：

  1. 文件存放路径
  2. 文件名
  3. 需要的操作类型

OS处理open：

  1. 根据路径找到目录文件，从目录找到目录项，检查用户是否有权限
  2. 将目录项复制到打开文件表。将对应的表目标号返回用户，用户使用打开文件表的编号指明要操作的文件。

这之后用户进程操作文件就不需要查目录了，加快文件访问速度。

一共有两种打开文件表。（用户进程的打开文件表，系统打开文件表）
系统的打开文件表会记录某个文件被打开了多少次，当需要删除的时候如果文件被占用则不能删除。

读，写文件

读写文件之前，都需要把文件先打开。

  • 读文件时，指明读多少数据，存放位置。OS的读指针指向外存，把用户需要的数据读入内存。
  • 写文件时，指明写多少数据，存放位置。OS把内存中数据存入外存。

文件共享

注意：多个用户共享同一个文件，意味着系统中只有一份文件，一个用户修改，别的用户可见。与复制相区分
###基于索引结点的共享方式
索引结点：检索文件只需要文件名，可以把文件名之外的其他信息放入索引结点。目录项只包含文件名，索引结点指针。

索引结点中设置一个链接计数变量count，表示链接到本索引结点上的用户目录项数。若count = 2 说明有两个用户在共享这个文件。若count > 0 说明有用户在使用，文件不能删除。

基于符号链的共享方式

文件2是一个LINK类型的文件，这个文件会根据其中记录的文件存放路径，OS根据路径找到该文件。（快捷方式）

文件保护

口令保护

为文件设置一个口令，用户访问该文件必须提供口令。

优点：保存口令开销不多，验证口令的时间开销很小。
缺点：正确的口令存放在系统中，不安全

###加密保护
可以用某个密码加密，访问文件需要提供正确的密码才能正确解析文件。

eg：简单的加密算法——异或加密。

优点：保密性强，不需要系统存放密码。
缺点：加密解密需要花费时间

访问控制

系统在FCB中增加访问控制表，表记录用户的权限。

有的计算机可能用户很多，导致访问控制表很长，可以使用精简访问控制表：以组为单位，标记各组可以进行的操作。

磁盘的结构

磁盘，磁道，扇区

  • 磁盘：磁盘表面有一些磁性物质组成，用这些磁性物质记录二进制数据。
  • 磁道：磁盘的盘面上有一圈圈的环状磁道。
  • 扇区：一个磁道被划分为多个扇区

需要把磁头移动到想读写的磁道，磁盘转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成读写。

磁盘是多层的，每层一个盘面，一个磁头。磁头是被固定在一起的，只能共进退。

（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”。可以根据该地址读取一个块。

磁盘的分类

磁头：

  • 磁头可以移动的称为活动头磁盘。磁臂可以来回伸缩。
  • 磁头不可移动称为固定头磁盘。

盘面：

  • 盘片可更换
  • 盘片不可更换

磁盘调度算法

一次磁盘读写操作需要的时间

  • 寻找时间Ts：在读写数据前，需要移动磁头。启动磁头臂所需要时间s，移动磁头（假设均匀移动）每跨越一个磁道需要m，总n磁道。Ts = s + m*n
  • 延迟时间Tr：旋转磁盘，磁头定位到扇区需要时间。转速为r（单位：转/秒。转/分）平均所需的延迟时间TR = （1/2）*（1/r） = 1/2r
  • 传输时间Tt：从磁盘读写数据所需要的时间，假设转速r，读写字节数目b，每个磁道字节数N。 Tt = （1/r）*（b/N） = b/（rN）

总时间 Ta = Ts + 1/2r + b/(rN)唯一可以影响的时间是寻找时间。

先来先服务算法FCFS

根据访问磁盘的先后顺序进行调度。

优点：公平，先到先服务，如果访问的磁道集中，算法性能还行。
缺点：大量进程使用磁盘，请求访问的磁道分散，FCFS性能上很差。

最短寻找时间优先SSTF

会优先处理与当前磁头最近的磁道。保证每次的寻道时间最短，但是不能保证总的寻道时间最短。

优点：性能较号，平均寻道时间短。
缺点：可能产生“饥饿”现象。磁头可能在小区域内来去移动。

扫描算法SCAN

磁头只有到达最外层才能往内移动，到达最内侧才能往外移动。

优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象。
缺点：只有到达磁道边才能改变方向。SCAN对于各个位置磁道的响应频率并不平均。

LOOK调度算法（改进的SCAN）

如果磁头移动方向已经没有别的请求可以立即改变方向。

优点：比起传统SCAN扫描时间缩短

循环扫描算法C-SCAN（改进的SCAN）

磁头只有朝某个方向移动方式才处理请求，返回的时候快速返回起始端。

优点：比起SCAN对各个磁道的响应频率平均
缺点：只有到达边上才能改变磁道方向，比起SCAN算法，平均寻道时间长。

C-LOOK调度算法

比起C-SCAN只需要返回到有请求的位置

优点：比传统的LOOK使寻道时间进一步缩短。

减少延迟时间的方法

假设磁头要读取2，3，4扇区，读完2后磁头要时间处理，此时经过3不能读取，需要磁盘下一次转到3。导致读入几个连续的扇区需要很长的延迟时间。

减少延迟时间的方法：交替编号

若采用交替编号策略，即让逻辑上相邻的扇区有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小。

磁盘地址结构的设计

磁盘的物理地址是（柱面号，盘面号，扇区号）。

这样设计可以读完一个柱上所有扇区后再移动磁头。

错位命名

让相邻盘面的扇区编号错位

磁盘的管理

磁盘初始化

磁盘初始化:

  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。一个扇区可以分为头，数据区域，尾三个部分组成。管理扇区所需要的各种数据结构一般放在头尾。包括扇区校验码，循环冗余校验码。
  2. 将磁盘分区，每个分区有若干柱组成。
  3. 进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统根目录，初始化存储空间管理所用的数据结构。

引导块

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完成的。

完整的自举程序放在磁盘的启动块上，启动块位于磁盘的固定位置。

ROM：初始化程序放在ROM（只读）存放自举装入程序。

拥有启动分区的磁盘叫做系统盘（C:）

坏块的管理

坏了，无法正常使用的扇区是“坏块”。OS是不能修复的，应该将坏块标记出来，以免错误的使用。

对于简单的磁盘，可以再逻辑格式化的时候，对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些是坏扇区。

对于复杂的磁盘，磁盘控制器维护一个坏块链表，再磁盘出场前低级格式化时将坏块链进行初始化。

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