一，文件和文件系统
1.文件管理：把所管理的程序和数据组织成一系列的文件，并能进行合理的存储，使用等操作。
2.基本概念
数据项：描述对象某种属性的字符集;是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位。
记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性;
关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合，用于唯一的标识一个记录。
文件：由创建者定义的，具有文件名的一组相关元素的集合。
3. 文件系统模型
操纵，管理对象的软件集合（文件管理内核程序）包括四个层次：
- 逻辑文件系统
- 基本I / O管理程序
- 基本文件系统层
- I / O控制层
4. 操作系统提供哪些文件操作
一个最基本的操作：
- 创建/ 删除文件：分空间，形成FCB及目录（名，地址）
- 读，写：按名检索目录，找到文件地址，开始读，写
- 设置文件读写位置，实现随机存取（尤其适用于记录文件）
b还需要“打开”与“关闭”：
- 文件读/ 写操作= 检索+ 读/ 写。
角其他操作：改名，改所属用户，改访问权限等属性的操作。
二，文件的逻辑结构
1. 文件系统设计的关键要素：如何构成一个文件，以及如何存储在外存。
2. 文件逻辑结构的类型
一个。有结构文件（记录式）
- 定长记录
- 变长记录
湾无结构文件（字符流式）
- 字节为单位，利用读写指针依次访问。
- 系统对该类文件不需格式处理。
3.如何组织记录：
顺序文件：系统需按该类型记录“ 长度” ，通常定长。
索引文件：需系统-文件为索引建立表通常为变长。
索引顺序文件：建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。
4.顺序文件
1）两种记录排列方式
- 串结构：按记录形成的时间顺序串行排序记录顺序与关键字无关;
- 顺序结构：按关键字排序。
2）检索方法：
- 从头检索，顺序查找要找的记录，定长的计算相对快。
- 顺序结构，可用折半查找，插值查找，跳步查找等算法提高效率
3）具体的寻址过程：
第我条记录地址（定长）：
读写指针+ 记录长度：ptr + i * L.
第我条记录地址（变长）：扫描或读取前面0〜I-1 条记录
第我条记录地址（变长）变长记录数据前用1 字节保存每条记录长度，顺序扫描，但不用把记录全扫描完
4）顺序结构记录按关键字排序，可按关键字检索
定长：结合折半查找算法等提高检索速度
变长：从第1 个记录开始顺序扫描，直到扫描到要检索的关键字标识的记录（例如：数据库，文件系统的基于文件名排序的目录检索）
5. 索引文件：为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表，记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度;该索引表按关键字排序。
1）索引表内容：
索引号，长度，记录地址指针
2）检索效率
索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件，所以能利用算法提高索引表检索速度
3）一个索引文件可以有多个索引表
是什么意思？网网求方便为用户根据不同记录属性检索记录，为顺序文件建立多个索引表，每种能成为检索条件的域都配备一张索引表。
4）索引文件的优缺点
适用于变长记录，可提高检索速度，实现直接存取
索引表增加了存储开销
6. 索引顺序文件
一。既要方便，又要降低开销
湾本方式是最常见的一种逻辑文件形式。
- 将顺序文件的所有记录分组
- 还是建立索引表，但每个表项记录的的英文每组第1 条记录的键值和地址。
- 组内记录仍按顺序方式检索和使用。
ç检索一条记录的过程：
- 先计算记录是在第几组，然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找。
d。可利用多级索引，进一步提高检索效率。
7. 直接文件
给定键值（如学号）不需顺序检索直接得到记录的物理地址
三，外存分配方式
1.目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度
2. 常用三种方式：
- 连续分配
- 链接分配（不连续）
- 索引分配
通常一个系统中仅采用一种方式
采用的磁盘分配方式决定了文件的“ 物理结构”
3. 连续分配
- 为每一个文件分配一组相邻的盘块。
- 逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。
优点：顺序访问容易，读写速度快
缺点：
- 会产生外存碎片。可紧凑法弥补，但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间。
- 创建文件时要给出文件大小;存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改;
适用于变化不大顺序访问的文件，在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区
4. 链接分配
- 可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。
- 设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表，这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。
优点：
- 离散分配，消除外部碎片，提高利用率
- 同时适用于文件的动态增长;修改容易
链接有两种形式：
一，隐式链接
- 文件空间信息的目录项中没有链接数据;
- 链接信息隐含记录在盘块数据中;
- 每个盘块拿出若干字节，记录指向下一盘块号的指针。
问题：只能顺着盘块读取，可靠性低
湾显式链接
- 记录盘链接块的指针显示地记录为一张链接表
- 所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表
- 为了提高文件系统访问速度，FAT 一般常驻内存
2）FAT表的相关计算
MS-DOS文件分配结构为例：
一个1.2M 的磁盘，盘块512B 大小;若文件系统采用FAT 格式，则FAT表大小如何？
表项个数 =盘块个数
= 容量/ 盘块大小= 1.2 * 2 20 / 2 9 = 1.2 * 2 11 个
表项大小，决定于盘块数量编号需要的位数= 12位;
FAT表大小= 表项个数* 表项大小
= 1.2 * 2 11 * 12位
= 1.2 * 2 11 * 1.5B = 3.6KB
以半字节（0.5B = 4b ）为基本单位，表项需12 位（1.5B）
5. 索引分配
- 系统运行时只涉及部分文件，FAT 表无需全部调入内存
- 每个文件单独建索引表（物理盘块索引），记录所有分配给它的盘块号;
- 建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息;
一，单级索引分配
湾多级索引
- 若文件较大，存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。
- 索引盘块亦需要按顺序管理起来
若索引盘块数量较少用指针链接的方式即可;
若索引盘块较多，需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引。
角混合组织索引（增量式索引组织方式）
一个索引结点定义为13 个地址项：iaddr （0 ）~ iaddr （12 ），总的来说分为两种：直接地址，间接地址
- iaddr （0 ）~ iaddr （9 ）存放直接地址，即存文件数据的盘块号;
- iaddr （10 ）存放单级索引的索引盘块号;
- 剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。
- iaddr （11 ）存放二级索引的主索引盘块号
- iaddr （12 ）存放三级索引的主索引盘块号
四，存储空间的管理
1. 为实现存储空间分配，系统需要：
- 记住空闲存储空间使用情况;为空间设置相应的数据结构;
- 提供对存储空间分配，回收的操作手段。
2. 典型的管理方法：
- 空闲表和空闲链表法
- 位示图法
- 成组链接法
3. 空闲表法和空闲链表法
1）空闲表法
一，数据结构
- 系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表
- 每个空闲区对应一个空闲表项
- 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列。
湾存储空间的分配与回收操作
- 与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法，循环首次适应算法等。
- 回收主要解决对数据结构的数据修改。
2）空闲链表法
将所有空闲盘区拉成一条空闲链。
数据结构：链
根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式：
- 空闲盘块链
- 空闲盘区链
每个盘区上含有：
指示下一空闲盘区的指针，本盘区大小等信息
- 分配通常采用首次适应算法。回收盘区时，将回收区与相邻的空闲盘区相合并。
为提高检索速度，可以采用显式方法，为空闲盘区建立一张链表放在内存中。
- 分配，回收操作涉及的链式数据结构的处理方便
4 位示图法- 位示图
1）利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。
- 值为0 表示对应的盘块空闲，为1 表示已分配。有的系统则相反。
- 磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样由所有盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图产品产品。
2）盘块的分配与回收
根据位示图进行盘块分配：
- 顺序扫描位示图找到。为0 的二进制位。
- 将所找到的一个或一组二进制位，转换成与之对应的盘块号。进行分配操作。
盘块号计算公式为：盘块号= 列总数*（i-1 ）+ j;
（注意下标i ，j 从1 开始）
- 修改位示图。
根据位示图进行盘块回收：
- 将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号。转换公式为：i =（盘块号-1）div 列数+1 ; j =（盘块号-1）mod 列数+1
Div 求商，mod 取余，公式中的i ，j 都是从1开始的
- 修改位示图。
5. 成组链接法
1）中心思想：
- 所有盘块按规定大小划分为组;
- 组间建立链接;
- 组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且支持离散分配回收。
2）空闲盘块的组织
一，空闲盘块号栈。
- 用来存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号（最多含100个号）
- 栈中尚有的空闲盘块号数N.
湾链接
- 每一组的第一个盘块记录下一组的盘块号，形成了一条链。
- 总将链的第一组盘块总数和所有的盘块号，入记栈，作为当前可供分配的空闲盘块号。
3）空闲盘块的分配与回收
一。分配盘块时，须调用分配过程来完成。
- 先检查空闲盘块号栈是否上锁，如没有，便从栈顶取出一空闲盘块号，将与之对应的盘块分配给用户，然后将栈顶指针下移一格。
- 若该盘块号已是栈底，即S.free（0），到达当前栈中最后一个可供分配的盘块号。
- 读取该盘块号所对应的盘块中的信息：下一即组可用的盘块号入栈。
- 原栈底盘块分配出去。修改栈中的空闲盘块数。
湾回收
- 回收盘块号记入栈顶，空闲数Ñ加1
- Ñ达到100时，若再回收一块，则将该100条信息填写入新回收块。