一、文件的相关概念

1、为什么要有文件管理?

文件系统主要是为了方便用户访问外部存储器信息，而不去关注内部存储的机制，只需要根据文件名就可以高效的存取信息。

2、文件的定义

文件是这一组具有符号名、在逻辑上具有完整意义的一组相关信息项的集合。比如一个文本文件、一个电影等。

信息项是构成文件内容的基本单位，可以是一个字符、一个记录。

文件的组成：文件名、文件内部标识、文件类型、文件存储地址、文件长度、访问限制、创建时间、访问时间等。

文件是一种抽象机制，它隐藏了硬件和实现细节，提供了将信息保存在磁盘上方便以后读取的手段。

3、什么是文件系统？

定义：操作系统中实现文件统一管理的一组软件和相关数据的集合，专门负责管理和存取文件信息的软件机构。

文件系统功能：按文件名存取、针对不同设备提供文件的统一访问接口、实现并发访问和控制、优化文件性能(提高文件存储效率、提高读写性能、差错恢复等)。

4、文件类型

按照文件性质和用途分类：系统文件、库文件、用户文件。

按照信息保存期限：临时文件、永久文件、档案文件。

文件保护方式：只读文件、读写文件、可执行文件、普通(不受保护)文件。

Unix系统：普通文件、目录文件、设备文件。

文件系统类型：FAT、FAT32、NTFS、E系统、HPFS等。

二、文件的结构和组织

文件的结构是指文件的组织形式。主要有逻辑结构、物理结构。

1、文件的逻辑结构

文件的逻辑结构分为两大类：

结构式记录式文件：由一个以上的记录构成的文件。

无结构式流式文件：由一串顺序字符流构成的文件。

1.1 有结构的记录式文件

记录式文件，所有的记录通常都是描述一个实体集的，有着相同或者不同数组的数据项，记录的长度分为定长和不定长。

定长记录：指文件中所以记录的长度相同。特点：处理方便、开销小。是一种常见的记录格式，广泛用于数据处理中，

变长记录：指文件中各记录的长度不相同。因为很多情况下一个记录所包含的数据项数组可能不同，比如文字的标题、内容等。

1.2 无结构的流式文件

流式文件的文件体是字节流，不划分记录。无结构的流式文件通常采用顺序访问的方式，并且每次读写访问可以指定任意长度，以字节为单位。

2、文件的物理结构

文件的物理结构：指文件内部的组织形式，也就是文件在物理设备上的存放方法。文件的物理结构决定了文件在存储设备上的存放位置，文件的逻辑块号到物理块号的转换也是由文件的物理结构决定的。

1、连续结构

也称为顺序结构，它将逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块上。针对文件记录的批量存取时，连续结构存取效率最高。如果针对交互应用场合连续结构的性能就会很差。如果文件很大的情况效率会更低。

连续结构的另外一个缺点是不便于记录的增加和删除操作。

2、链式结构

也称为串联结构，它是将逻辑上连续的文件信息存放在不连续的物理块上，每个物理块设有下一个指针指向下一个物理块。如果知道第一个物理块号就可以查找整个文件。

3、索引结构

将逻辑上连续的文件存放在不连续的物理块上，系统为每一个文件建立一张索引表。索引表会记录文件信息所在逻辑块号对应的物理块号。

4、多个物理块的索引表

索引表右文件创建时系统自动创建，并且和文件一起存放在同一个文件卷上。多块索引表组织形式：链式文件、多重索引文件。

UNIX文件系统采用三级索引结构，inode是文件系统的基本构成单位，表示文件系统树形结构的节点。

UNIX文件索引表项寻址方式：直接寻址、一级间接寻址、二级间接寻址、三级间接寻址。

三、文件目录

文件控制块(FCB)：包含文件名和存放文件物理地址的数据结构。

文件目录：文件控制块的有序集合。

1、文件控制块

文件控制块包含基本信息、存储控制信息、使用信息类。

基本信息类：文件名、文件物理地址、文件长度、文件块数。

存储控制信息类：文件存取权限，常见的RWX权限。

使用信息类：文件创建日期、最后一次修改日期、最后一次访问日期、当前使用的信息(打开文件的进程数、在文件上的等待队列等)。

2、目录结构

常见的目录结构有一级目录结构、二级目录结构、多级目录结构

1、一级目录结构

整个目录组织是一个线性结构，整个系统中只需建立一张目录表，系统给每个文件分配一个目录项。

特点：结构简单、查找速度慢，不能重名、不方便实现文件共享，适合当用户环境中。

2、二级目录结构、多级目录结构

二级目录结构由主文件目录(MFD)、用户目录(UFD)组成。在主文件目录中，每个用户文件目录都占有一个目录项，其目录项中包括用户名和指向该用户目录文件的指针。用户目录是由用户所有文件的目录项组成的。

特点：提高了检索目录的速度、较好地解决了重名问题；用户隔离不方便文件的共享。

3、多级目录结构

目前多道程序设计系统常采用多级目录结构，这种目录结构像一棵倒置的有根树，也称为树形目录结构每一个节点是目录，叶子节点是文件。