CM1：操作系统概念。操作系统基本功能、操作系统发展历史及趋势、操作系统主流架构、常见操作系统特点、操作系统安全机制。

CM2：进程管理。进程概念、线程概念、进程生命周期、进程调度算法、进程同步互斥、进程间通信和死锁。

CM3：内存管理。内存空间的概念、连续分配、离散分配（分页管理、分段管理、段页式管理）、虚拟存储管理和页面置换算法。

CM4：设备管理。I/O 系统结构、缓冲管理、磁盘结构和磁盘调度算法。

CM5：文件管理。文件系统的作用、逻辑结构、物理结构、目录、文件共享和文件系统的一致性。

本节是最后一部分，要点在CM5，大致内容如下：

第五章文件管理（6 学时，多媒体课件结合板书面授）CM5

1、主要内容

文件和文件系统的概念，文件逻辑结构（堆文件、顺序文件、索引顺序文件、索引文件、HASH 文件），外存分配方法（连续分配、链接分配、索引分配），目录管理（一级目录、二级目录、多级目录），文件存储空间的管理技术（位示图、空闲链表、索引）。文件系统性能的改善、数据一致性控制。

2、应达到的要求记忆：文件系统性能的改善、数据一致性控制。

理解：文件系统的基本概念、目录管理、文件共享、文件保护的方法。

分析：文件逻辑结构、文件的物理结构、文件目录、外存空间的管理。

一共3个PPT，就分三大块：文件管理：基础、文件管理：目录、文件管理：磁盘管理。

文件管理：基础

基本概念

文件

一种具有符号名的、相关联元素的有序集合。

用户按照信息的逻辑功能将关联存储单元组织成文件。

文件是信息在磁盘上存储的基本逻辑单位。

文件名：对相关联元素的Naming

文件系统

概念：

对文件实施管理、控制与操作的一组软件。

用户或应用程序访问文件的唯一方式

目标与功能：

保证文件中的数据有效

减少或消除丢失或破坏数据的可能性

从系统角度优化总吞吐量，从用户角度优化响应时间

为各种类型的存储设备提供I/O支持，并提供统一接口

统一管理文件的存储空间，实施存储空间的分配与回收

实现文件的按名存取：文件名字空间 $\leftrightarrow$ 存储空间

实现文件信息共享，提供文件保护和保密措施

用户观点

实现“按名存取”功能

操作系统观点

文件目录怎样实现、管理存储空间、文件存储位置、磁盘实际运作方式(与设备管理的接口)

文件系统的实现模型

文件系统接口：命令、系统调用和图形窗口的文件系统访问功能。

逻辑功能层：根据接口层所发下的文件访问需求，通过相关的文件控制块、文件目录、文件分配表等，获取访问存储介质的物理参数。

物理驱动层：将逻辑功能层所发下的命令转化为相应的驱动程序的动作，完成对文件物理存储设备的处理。

文件的组成

文件=元数据+文件内容

元数据：文件名、内部标识(如unix的inode)、拥有者、访问时间/权限、文件大小 ……

文件名

格式：A.B

A: 文件名称 B: 文件类型/文件格式/文件扩展名

文件分类

对不同文件进行管理，提高系统效率

提高用户界面友好性

设备文件：统一的抽象接口（了解即可）

文件结构

逻辑结构

从用户角度研究文件的组织形式，独立于物理存储结构

无结构文件：流式文件
- 构成文件的基本单位是字节，文件是有逻辑意义的、无结构的一串字节的集合。
- 自身不提供任何数据结构提供很大的灵活性
- 用户自定义文件内容含义
有结构文件：记录文件
- 文件是由若干个记录组成，每个记录有一个键，可按键进行查找。
- 记录(record)、字段(field)、键(key)
文件组织与访问
- 原则：
  - 原则可能互相矛盾（如索引 vs. 空间）
  - 优先级取决于使用文件的应用程序
- 堆文件：数据按到达时间顺序存放；每个记录长度、字段数量不确定；随机访问效率极低，对大多数应用都不可用；例：log（日志文件）
- 顺序文件：所有记录有序排列（主字段）；字段定义、记录长度固定；批处理，顺序访问最佳；查询或更新记录的交互式应用，性能差；（随机）访问大型顺序文件时性能差（包含某个key的记录）
- 索引顺序文件：是一个顺序文件；将顺序文件中的记录进行分组(block)；索引表仅记录每组中第一个记录的信息；组与组之间记录的关键字必须有序排列；搜索非key字段困难
- 索引文件：每个索引项指向一个记录，索引项按照记录中的某个关键字排序；记录大小不必相同，不必排序，存放在主文件中。可以对不同的关键字域建立多个索引；主文件中增/减/变更记录时，索引文件须相应更新
- 直接，散列/哈希文件：记录的存储位置由以关键字为参数的哈希函数计算得到。记录大小一般相同；检索时给出记录的关键字值，通过哈希函数计算出该记录在文件中的位置；访问速度快，一次只需访问一条记录时使用。例：目录、价格表、调度和名字列表等。
有结构文件和无结构文件的区别：

物理结构

文件的逻辑地址和物理地址文件在物理介质上的存放方式

文件访问方法
- 用户在使用文件时按何种次序存取文件
  - 顺序存取：按照文件信息的逻辑顺序(记录的排列顺序)依次存取。
  - 随机存取(直接存取）：按任意的次序对文件进行读写操作
- 与文件使用方式有关
  - 源程序文件用顺序存取
  - 数据库文件用随机存取
- 与存储介质的特性有关
  - 磁带
  - 磁盘
⭐文件分配表
- 为了有效地管理文件存储器，通常把文件存储空间划分成若干个大小相等的物理块。
- 物理块是分配及传输信息的基本单位。
- 块的大小通常是扇区的倍数，如512B、1KB、2KB或者4KB。
- 文件分配表：描述文件所获得物理块的详细信息，不同的操作系统赋予了该结构不同的名字
  - DOS：FAT / Windows NTFS: MFT (master file table)
  - UNIX类操作系统：inode
- 分配方式
  - 静态分配：文件创建时申明需要的最大空间
    - 预分配，实现简单，易于维护，但灵活性差
  - 动态分配：文件存储空间按需分配
    - 实现较复杂，需要维护较多的数据结构，实用性高

连续结构（顺序）

文件信息存放在若干连续的物理块中
优点：简单；支持顺序存取和随机存取；顺序存取速度快：磁盘寻道次数（寻道时间）最少
缺点：不利于文件尺寸的动态增长（插入、删除）；可能会导致磁盘碎片，降低外存空间的利用率（可以采用紧凑技术处理，从而改善）。

链接结构

文件信息存放在若干不连续的物理块中，各块之间通过指针连接。
- 隐式链接
  - 每个物理块都设有一个指针字段，指向下一个物理块的位置。
  - 随机访问性能差
- 显式链接
  - 用于链接文件各物理块的指针，显示地存放在一张内存链表中，该表在整个磁盘中仅一张。
  - 随机性能优于隐式链接
优点：提高了磁盘空间利用率，不存在外部碎片问题；有利于文件插入和删除
缺点：更多的寻道次数和寻道时间；随机访问性能差；可靠性问题，如指针出错
改进方法：扩大文件块分配单位。若干个连续的数据块，称之为簇(Cluster)。
- 簇（Cluster）
  - 一组连续的扇区→虚拟扇区
  - 分配单位 Cluster=2^n Sectors

索引结构

文件信息存放在若干不连续物理块中，每个文件关联一个索引表，记录块号

索引表就是磁盘块地址数组，第i个条目指向文件的第i块

优点：支持随机存取（优于链接结构，找第i块更快）；满足了文件动态增长、插入删除要求；利用多级索引，可以支持大型文件的存取

缺点：较多的寻道次数和寻道时间（对比页表）

一个数据块容纳不了一个文件的所有分区时，需要若干个索引结点进行存储

多级索引

盘块大小：1 KB，每个盘块号：4B

一个索引块中可存放1K/4B=256个盘块号

两级索引时，最多可包含的存放文件的盘块总数N = 256 × 256 = 64 K个盘块号。

最大文件长度：64MB

计算：盘块大小：4KB，盘块号：4B，一级、两级索引时最大文件分别为？

4KB/4B=2^10; 1_file=2^10*4KB=4MB; 2_file=2^10*2^10*4KB=4GB

⭐综合/混合模式

将多种索引分配方式相结合而形成的一种分配方式。

例如，系统既采用了直接地址，又采用了一级索引分配方式，或两级索引分配方式，甚至还采用了三级索引分配方式。

Unix iNode

13个索引项，每项2个字节前10项为直接块

第11项指向一个物理块，该块中最多可放256个文件物理块的块号（一次间接寻址）。

第12和第13项作为二次和三次间接寻址

单个文件最大长度：（10+256+256*256）*block-storage

练习题

设文件索引节点中有7个地址项 4个直接地址索引 2个一级间接地址索引 1个二级间接地址索引每个地址项大小为4B 磁盘索引块和磁盘数据块均为256B

问：单个文件的最大长度是多少？

答：每个索引块中的项目数为：256/4=64个

4个直接地址索引块，可索引块数：4

2个一级间接地址索引块，可索引块数：2×64=128

1个二级间接地址索引块，可索引块数：1×64×64=4096

单个文件的最大长度为：（4+128+4096)*256B=1057KB

假定UNIX磁盘块的大小为1KB，每个盘块号占4个字节，文件索引节点中的磁盘地址明细表如图所示，请将下列文件的字节偏移量转换为物理地址？

1． 9000 2． 14000 3． 350000

答：字节偏移量为9000时

逻辑块号为：9000/1024＝8 块内偏移量为：9000 % 1024＝808 逻辑块号小于10→该块为直接块。逻辑块号8对应的物理盘块号为367，该块中的第808字节即为文件的第9000字节。

字节偏移量为14000时

逻辑块号为：14000/1024＝13 块内偏移量为：14000 % 1024＝688 逻辑块号9<13<266→该块为一次间接块。一次间接的盘块号为428，从一次间接块中读出盘块号表，查得逻辑块号13的物理块号为952，该块中的第688字节即为文件的第14000字节。

字节偏移量为350000时

逻辑块号为：350000/1024＝341 块内偏移量为：350000 %1024＝816 因逻辑块号265<341<65802(256*256+256+10)→该块为二次间接块。由图可知，二次间接块的盘块号为9156。一个一次间接块中可容纳256个块号，341-10-256＝75 75/256=0，故字节偏移量350000在二次间接块的第0个一次间接块的第75个表项中，其盘块号为333，该块中的第816字节即为文件的第350000字节。

文件管理：目录

文件控制块FCB

FCB：File Control Block

描述和控制文件的数据结构与文件一一对应

文件存在的标志

文件控制块的组成——与操作系统相关

FCB信息

文件名：用户利用该名字进行存取。

文件物理位置：在外存的存储位置（设备名、起始盘块号、占用的盘块等）

使用信息：创建时间：create time ；最后一次读访问的时间：access time ；最后一次写访问的时间：modify time

计算: 一个FCB有48字节，假设物理块512字节，某目录有128个文件。计算查找一个文件平均访盘次数。

每块存储的FCB数量：512/48=10

128个文件的目录文件需要磁盘块：128/10=13

平均访盘次数：(1+13)/2=7(最少一次找到，最多13次，取均值)

⭐改进的FCB组织方法

采用目录项分解法，把FCB分成两部分

一个FCB有48字节，符号目录项占 8字节（文件名6字节，文件号2字节），假设物理块512字节，某目录有128个文件。采用改进的FCB组织方法，查找一个文件平均访盘次数。

每块存储的符号目录项：512/8=64

每块存储的基本目录项：512/42=12

128个文件，符号文件、基本文件分别需要：128/64=2, 128/12=11

平均访盘次数：(1+2)/2+1=2.5(最少一次查找符号目录，最多两次，取均值，再加上一次精准查找的基本目录项)

目录的组织

组织文件目录是文件系统的主要内容之一

有效性：快速定位一个文件

命名：用户使用方便

两个用户对不同的文件可以使用同一个文件名

同一个文件可能有不同的文件名

文件数据，元数据

空目录≠文件数为0的目录：不存在文件数为0的目录！

单级目录结构

所有文件都包含在同一目录中

缺点：查找速度慢；不允许重名；不便于共享；不能分组

两级目录结构

为每个用户创建单独的目录

用户文件目录UFD 主文件目录MFD

优点：不同用户可以有相同的文件名；提高了检索速度；将一个用户与另一个用户有效隔开

缺点：不利于文件的共享

树状目录结构

每一级目录可以包含文件，也可以包含下一级目录。

只有一个根目录，除根目录外，其余每个目录或者文件都有唯一的一个上级目录。（父目录、子目录）

优点：文件的层次和隶属关系清晰；便于实现不同级别的存取保护和文件系统的动态装卸

缺点：

不便于共享（相比较而言）

路径

从树根(namespace)到节点的唯一表达

不同文件→文件可以同名，但路径名不同。（路径名不同 ≠ 文件不同）

文件可按照相对于工作目录的方式访问：

绝对路径(absolute)：从根目录开始指定

相对路径(relative)：从当前工作目录开始（./当前目录）（../上一级目录）

练习：当前目录/spell/mail/copy 请用绝对和相对路径表达红色箭头文件

prog: ./prog ; /spell/mail/prog

find: .../programs/p/find ; /programs/p/find

all: /all ; /spell/mail/copy/all

first: ./prt/first ; /spell/mail/prt/first

无环图目录

在树型目录的基础上，允许多个目录项指向同一个数据文件或者目录文件，实现了目录或者数据文件的共享

一个文件或者目录在多个父目录中占有项目

目录结构不再是一颗树，而是一个无环图

实现共享文件：多个用户同时访问一个文件，可节约存储空间

数据复制：数据不一致

通过路径名共享：不灵活

链接：在多个目录中对要共享的文件建立相应的表项，一个文件或目录在目录树中多处出现（引用）在外存上只有一份物理存储。

链接

硬链接：多个文件名链接到同一个索引结点，链接文件和被链接文件必须位于同一个文件系统中。

软链接：符号链接(symbolic link, shortcut) 特殊类型的文件，其内容是另一个目录或文件的路径。无硬链接的限制，可跨盘，跨目录，甚至跨机器。建立符号链接文件，并不影响原文件→它们是独立的文件。

缺点：空间和时间开销更大；如果设置不当，上下级目录关系可能会形成环状

硬链接和软链接的比较

硬链接

只允许文件链接，不允许目录链接；

只能在同一个文件系统范围内进行，不允许跨文件系统。

删除文件时，如果还有其他链接链至该文件，则该文件不能被删除。

软链接

访问速度相对慢一些，但适用范围和灵活性要大一些。

允许目录链接，允许在不同的文件系统间进行链接，这两个文件系统可以在同一个计算机上，也可以在不同的计算机上。

被链接文件的删除和符号链接的删除是完全独立的

通用图目录

无环图目录结构中，加上允许子目录对上层目录的引用的条件

允许环存在：搜索子目录时要避免无穷地循环搜索——限制访问目录的次数来确定；释放孤立环（orphan cycle）——垃圾回收（garbage collection）。

文件管理：磁盘管理

磁盘存储器

文件存储空间的分配单位是磁盘块而非字节；

文件系统必须记录存储空间的使用情况；

文件系统对存储空间进行分配和回收；

常用的磁盘空间的管理方式有：

空闲分区表

概念

将空闲分区登记在一张表中，一个分区对应一个表项，每个表项包含有空闲分区号、分区起始块号、分区长度等主要信息，按起始块序号排序

特点

实现简单

将各空闲分区按照长度有序进行排列，能很快找到需要大小的空闲分区。 (排序规则不固定）

当空闲分区分布较分散且数量较多时，空闲分区表将会很大。

空闲分区链表

概念

利用空闲分区空间通过指针将各个空闲分区连接起来，并记载各空闲分区大小。

无空闲分区表的额外空间开销。

特点

回收由许多离散小分区组成的文件时，小分区链接到空闲分区链表中需要很长时间（按照某种规则，大小或者位置）。

类比可变分区管理

位示图

一个向量，每位(bit)对应于磁盘中的一个块(block)

空闲块：0，已使用块：1

方便地查找一个或一组连续的空闲分区。

位示图需要占用的存储空间大小

磁盘容量（字节数）/ （8×数据块大小） Byte

大位示图搜索将会降低文件系统的性能

成组块链接法

将所有空闲块每n块划分为一组，用索引表表示

每组的第一块用来存放后一组中各块的块号和总块数

各组间自然构成链表

第一组的块号与总块数放在一个专用栈中：空闲盘块号栈

栈计数count：栈中的空闲块数目

栈中的元素是空闲块编号

对块的分配和释放在栈中进行

分配方法

查看栈中是否count==1，若不是，那么就弹出栈顶元素N（表示可用磁盘块号），分配出去，--count；若是，弹出栈顶元素N，把空闲块N中的内容读入到栈中；返回空闲块编号N。因为所分配的磁盘块号是栈中最后一个可用盘块号，由于在该盘块中存放了下一组的所有盘块号，于是要先将该块的内容读入栈中，然后才能将该块分配出去

释放方法

被释放空闲块为编号N。查看是否栈已满，若不是，则N入栈，++count；若是，则将栈（包括栈计数）写入到空闲块N，然后把N放入栈顶并置count为1。说明栈已满，须先将栈中所有盘块号复制到新回收的盘块中，再将新回收盘块的编号放到栈中，成为栈中第一个盘块

例题

解：92=41+50+1，所以是#400最下面的一个，也就是401。

文件一致性：盘块

链接数一致性检查

每个目录项都含有一个索引结点号

共享文件的索引结点号会在目录中出现多次

若某文件被共享（硬链接）N次，其索引结点号会在目录中出现N次；

另一方面，该共享文件索引结点中的链接计数count，用来指出共享本文件的引用数。

正常情况下这两个数据应该一致

数据块使用数组和空闲数组互补

文件执行

数据结构

用户打开文件表：每个进程一个，记录用户打开文件

系统文件打开表：整个系统一张：放在内存，用于保存已打开文件的FCB文件号、共享计数（打开共享）、读写位置、打开模式、修改标志等；指向内存inode（也有共享计数）

内存inode表：操作文件时要将磁盘inode加载到内存中；访问速度；共享控制（计数）

三张表之间的关系

文件共享

不同进程独立访问

同进程复制fd：dup() / dup2() / fcntl()

跨进程复制fd：fork()

fork()可以共享文件，但是fork()以后打开文件则不共享

文件操作

执行过程

create：实质是建立FCB，返回一个文件描述符

open：把FCB送到内存，创建用户、系统打开文件表项，建立与内存inode三者关联，返回文件描述符

close：缓存数据写回磁盘；清理用户文件打开表；清理系统文件打开表；清理内存inode表

虚拟文件系统 VFS

支持面向对象式的文件系统实现——多态

用户程序：统一接口

底层支持：不同文件系统

VFS接口：API，而非具体的文件系统实现

电子科技大学操作系统期末复习笔记（五）：文件管理

前言

文件管理：基础

基本概念

文件

文件系统

文件系统的实现模型

文件的组成

文件名

文件分类

文件结构

逻辑结构

物理结构

练习题

文件管理：目录

文件控制块FCB

FCB：File Control Block

FCB信息

目录

基本概念

目录功能

目录基本操作

⭐FCB组织方法

⭐改进的FCB组织方法

目录的组织

路径

无环图目录

链接

通用图目录

文件管理：磁盘管理

空闲分区表

概念

特点

空闲分区链表

概念

特点

位示图

成组块链接法

分配方法

释放方法

例题

文件一致性：盘块

链接数一致性检查

文件执行

数据结构

文件共享

文件操作

执行过程

虚拟文件系统 VFS

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