操作系统学习笔记之——文件管理

文件管理

1、文件的概念

通过自底向上的方法定义：

1. 数据项。数据项是文件系统中最低级的数据组织形式，可分为以下两种：

   基本数据项。用于描述一个对象的某种属性的一个值。是数据中可命名的最小逻辑单元，即原子数据。

   组合数据项。由多个基本数据项组成。

2. 记录。记录是指一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。

3. 文件。文件是指由创建者所定义的一组相关信息的集合，逻辑上可分为有结构文件和无结构文件两种。有结构文件中，文件由一组相似的记录组成，又称为记录式文件；而无结构文件则被视为一个字符流，又称流式文件。

1.1、文件的属性

所有文件的信息都保存在目录结构中，而目录结构保存在外存上。文件信息在需要时调入内存。通常，目录条目包含文件名称及其唯一的标识符，而标识符定位其他属性的信息。

1.2、文件的基本操作

文件属于抽象数据类型。操作系统提供系统调用，它对文件进行创建、写、读、重定位、删除和截断等操作。

1. 创建文件。两股步骤：（1）在文件系统中为文件找空间；（2）在目录中为新文件创建条目；
2. 写文件。执行一个系统调用。系统维护一个写指针。
3. 读文件。系统维护一个读位置的指针。
4. 文件的重定位（文件寻址）。
5. 删除文件。先从目录中找到要删除的文件目录项，然后再回收文件所占的存储空间。
6. 截断文件。

1.3、文件的打开与关闭

系统在首次使用文件的时候，使用系统调用 open 将指明文件的属性（包括该文件在外存上的物理位置）从外存复制到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号（也称索引）返回给用户。操作系统维护一个包含所有打开文件信息的表（打开文件表）。当用户需要一个文件操作时，可通过该表的一个索引指定文件，因此省略了搜索环节。

大多数操作系统要求在文件使用之前就被显式地打开。操作 open 会根据文件名搜索目录，并将目录条目复制到打开文件表。若调用 open 的请求得到允许，则进程就打开文件，而 open 则返回一个指向打开文件的一个条目的指针。通常通过指针（而非）文件名进行所有的 I/O 操作。

每个打开的文件都有如下的信息：

• 文件指针。系统跟踪上次的读写位置作为当前文件位置的指针，这种指针对打开文件的某个进程来说是唯一的，因此必须与磁盘文件属性分开保存。
• 文件打开计数。
• 文件磁盘位置。
• 访问权限。

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2、文件的逻辑结构

按逻辑结构，文件可划分为无结构文件和有结构文件：

• 无结构文件（流式文件）

  无结构文件将数据按顺序组织成记录并积累、保存，它是有序相关信息项的集合，以字节为单位。遍历无结构文件，只能通过穷举的方式。

• 有结构文件（记录式文件）

  有结构文件按记录的组织形式可以分为如下几种：

  • 顺序文件。文件中的记录一个接一个地顺序排列，记录通常是定长的，可以顺序存储或以链表的形式存储。
  • 索引文件。
  • 索引顺序文件。
  • 直接文件或散列文件。

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3、目录结构

3.1、文件控制块

与进程管理一样，为实现目录管理，操作系统引入了文件控制块的数据结构。

• 文件控制块

  文件控制块（FCB）是用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构，以实现 “按名存取”。FCB 的有序集合称为文件目录，一个 FCB 就是一个文件目录项。为了创建一个新文件，系统将分配一个 FCB 并存放在文件目录中，称为目录项。

  FCB 主要包含以下信息：

  • 基本信息。如文件名、文件的物理位置、文件的逻辑结构、文件的物理结构等；
  • 存取控制信息。如文件的存取权限等；
  • 使用信息。如文件的创建时间等。

• 索引结点

  在检索目录文件时，只用到了文件名，仅当找到一个目录项（查找文件名与目录项中文件名匹配）时，才需要从该目录项中读取文件的物理地址。也就是说，在检索目录时，文件的其他描述信息都不会用到，也不要调入内存。因此，有的系统采用了文件名和文件描述信息分开的方法，文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构，称为 i 结点。在文件目录中的每个目录项仅由文件名和指向该文件所对应的 i 结点的指针组成。

3.2、目录结构

• 单级目录结构

  在整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。但查找速度慢、文件不允许重名、不便于文件共享；

• 两级目录结构

  将文件目录分为主文件目录和用户文件目录。但缺乏灵活性，不便于文件分类。

• 多级目录结构（树形目录结构）。类似于 Linux 的目录树结构。绝对路径和相对路径。

• 无环图目录结构

3.3、文件共享

• 硬链接
• 软链接

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4、文件系统的实现

4.1、文件系统的层次结构

4.2、目录实现

目录的实现是为了查找

• 线性目录
• 哈希表

4.3、文件实现

4.3.1、文件分配方式（对磁盘非空闲块的管理）

	怎么实现	目录项结构	优点	缺点
顺序分配	为文件分配的必须是连续的磁盘块	起始块号、文件长度	顺序存取速度快、支持随机访问	会产生碎片，不利用文件扩展
隐式链接	除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存在指向下一个盘块的指针（单链表）	起始块号、结束块号	可解决碎片问题，外存利用率高，文件扩展实现方便	只能顺序访问
显式链接	建立一张文件分配表（FAT），显式记录盘块的先后顺序（开机后 FAT 常驻内存）	起始块号	还可以通过查询内存中的 FAT 实现随机访问	FAT 需要一定的内存空间
索引分配	为文件数据块建立索引表。若文件过大，可采用链接方案、多层索引、混合索引	链接方案记录的是第一个索引块的块号，多层/混合索引记录的是顶级索引块的块号	支持随机访问，易于文件的扩展	索引表需要占用一定的内存空间。访问数据之前需要先读入索引快。若采用链接方案，查找索引块时可能需要多次读磁盘操作

4.3.2、文件存储空间的管理（对磁盘空闲块的管理）

• 空闲表法
• 空闲链表法
• 位示图法
• 成组链表法

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5、磁盘组织与管理

5.1、磁盘的结构

磁盘盘面上的数据存储在一组同心圆中，称为磁道。磁道又划分为几百个扇区，每个扇区固定存储大小 512Bytes，一个扇区又称为一个盘块。所有盘片上相对位置相同的磁道组成柱面，扇区是磁盘寻址的最小单位，磁盘地址用 “柱面号·盘面号·扇区号（或块号）” 表示。

5.2、磁盘调度算法

• 先来先服务算法
• 最短寻找时间优先算法
• 扫描算法
  512Bytes**，一个扇区又称为一个盘块。所有盘片上相对位置相同的磁道组成柱面，扇区是磁盘寻址的最小单位，磁盘地址用 “柱面号·盘面号·扇区号（或块号）” 表示。

5.2、磁盘调度算法

• 先来先服务算法
• 最短寻找时间优先算法
• 扫描算法
• 循环扫描算法（C-SCAN 或 LOOK），改进的 C-LOOK 算法