第七章 文件管理

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文件控制块—FCB

1. 为了能对一个文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块”（FCB）
   1. 文件与文件控制块一一对应
   2. 记录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息。（是谁？在哪里？什么权？）
   3. 文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各种操作。

              把文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个目录项。通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件

5、目录管理

1. 对文件实施有效的管理，必须对它们加以妥善组织，主要是两大操作：
   1. 基本信息记录(FCB,目录项)
   2. 方便检索、管理（目录操作）
2. 目录管理的要求如下：
   1. 实现“按名存取”；（最基本功能）
   2. 提高对目录的检索速度；
   3. 文件共享；

允许文件重名。

1. FCB内容

 

1. 对于连续文件：文件起始块号；
2. 对于链接文件：指向第一个物理块的指针；
3. 对于索引文件：索引表地址。

 

1. 在文件控制块中，通常含有以下三类信息。

1. 基本信息类
   • 包括文件名，文件物理位置，文件逻辑结构，文件的物理结构。
2. 存取控制信息类
   • 包括文件主的存取权限，核准用户的存取权限和一般用户的存取权限。
3. 使用信息类
   • 建立日期和时间、文件上次修改的日期和时间
   • 当前使用信息：打开该文件的进程数、是否被进程锁住、是否已修改等。

 

 

关于文件检索的速度：

1. 文件FCB组成的“目录”文件存放于磁盘；需要时，要从磁盘将目录内容调入内存进行检索和使用。
2. 如果目录占用5个盘块，则至多需启动5次磁头读写，如何提高检索速度？

 

2）索引结点

1. 索引结点的引入
   1. 文件目录占越大量的盘块，需进行的磁盘读写开销越大。减少实际检索的信息量就减少移动磁头的开销，提高速度；
   2. 目录一般是按名检索。而直到找到正确文件前，只关心文件名，不需要其它的文件描述信息，目录中这部分内容的调入不是必须的。
   3. 所以：将文件名、文件具体信息分开，使文件描述信息单独形成一个索引结点。

 

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索引结点由外存到内存的过程中有不同的形式：

1. 磁盘索引结点
   1. 存放在磁盘上的索引结点。主要包括以下内容：文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间。
2. 内存索引结点
   1. 文件被打开后，将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中以便使用。比磁盘索引结点增加了以下内容：索引结点编号、状态、访问计数、文件所属文件系统的逻辑设备号、链接指针。

 

３） 目录结构

1. 目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度，也关系到文件的共享性和安全性。
2. 组织好文件的目录，是设计好文件系统的重要环节。
3. 目前常用的目录结构形式有
   1. 单级目录
   2. 两级目录
   3. 多级目录

 

单级目录结构（Single-Level Directory）

1. 最简单的目录结构。
2. 整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一个目录项，含有文件相关信息。

每建立一个新文件：

1. 1. 先检索所有的目录项，保证文件名唯一。
   2. 获得一空白目录项，填入相关信息，修改状态位（表明每个目录项是否空闲）。

删除一个文件：

1. 1. 找到对应目录项，回收文件所占用空间
   2. 清除目录项

 

1. 优点：简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。
2. 缺点：
   1. 文件检索时需搜遍整个目录文件，范围大速度慢。
   2. 不允许重名。名字过多难于记忆，对于多用户环境重名难以避免。
   3. 不便于实现文件共享（因为不能重名，不同用户使用的共享文件必须不同名字，标识哪些用户共享文件也不方便），一般只适用单机环境。

 

②两级目录结构（ Two-Level Directory ）

1. 为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，UFD由用户所有文件的文件控制块组成。
2. 系统建立一个主文件目录MFD， MFD中每个用户目录文件都占有一个目录项，其中包括用户名和指向UFD的指针。

 

 

两级目录的特点

1. 基本克服了单级目录的缺点，并具有以下优点：
   1. 提高了检索目录的速度。
   2. 在不同的目录中可重名。
   3. 不同用户还可以使用相同/不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。

不提供子目录操作，还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作

 

 

③多级目录结构

1. 适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like)
2. 在文件数目较多时，便于系统和用户将文件分散管理。
   1. 层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等
   2. 但目录级别太多时也会增加路径检索层次，增加磁盘访问时间。
3. Tree-Structured Directories （树型目录）

 

 

相关名词：

1. 目录结构
   1. 主目录称为根目录，数据文件为树叶，其它目录为结点。多级目录缩小检索范围提高检索速度和文件系统的性能。
2. 路径名
   1. 从根目录到任何数据文件都只有一条唯一通路。目录文件名和数据文件名依次用“/”连接起来，即构成数据文件的路径名。
3. 当前目录
   1. 为每个进程设置一个“当前目录”，又称“工作目录”。
   2. 从当前目录开始，逐级经过中间的目录文件，最后达到要访问的数据文件。这一路径上的目录和数据文件名用“/”连接成路径名，称为相对路径名。
   3. 从根开始的路径名称为绝对路径名

 

4）目录查询技术

1. 用户要访问一个已存文件
   1. 目录数据调入内存；
   2. 按名检索：系统利用提供的文件名对目录(根据目录层次，需要做的检索次数也不同)进行查询
   3. 找该文件控制块
   4. 读FCB或对应索引结点；
   5. 从文件物理地址换算出文件在磁盘上的物理位置；
   6. 最后通过磁盘驱动程序，将所需文件读入内存。
2. 目录查询方式：线性检索法和Hash方法。

 

线性检索法

1. 又称为顺序检索法。
2. 单级目录中
   1. 用户提供文件名，顺序查找文件目录。
3. 树型目录中
   1. 用户提供路径名，如/user/ast/mbox
   2. 对多级目录进行逐层查找。

*Hash方法

1. 曾介绍的Hash文件。
2. 如果建立了一张Hash索引文件目录，便可利用Hash方法进行查询
3. 系统将用户提供的文件名变换为文件目录的索引值，再利用该索引值到目录中去查找，将显著的提高检索速度。
4. 对于使用通配符的文件名系统无法利用Hash法检索目录，还是需用线性查找法。

 

综合练习

1. 有一文件系统如图1所示。图中的框表示目录，圈表示普通文件。每个磁盘块有512个字节。普通文件的一页与盘块大小等长。

• 根目录常驻内存，目录文件物理结构组织成链接文件，每个目录文件磁盘块最后4个字节供链接使用。
• 目录表目指示下一级文件名及其磁盘地址（各占2个字节，共4个字节）。若下级文件是目录文件，指示其第一个磁盘块地址。若下级文件是普通文件，指示其文件控制块的磁盘地址。

       （一个盘块可存放127个目录项）

• 普通文件组织成索引文件。

       （一个索引盘块512B,可存放256个盘块索引2B）

• 下级文件在上级目录文件中的次序在图中为自左至右。

 

 

 

前10个地址直接指示该文件前10页的地址。 第11个地址指示1级索引表地址，一级索引表中每个磁盘地址指示一个文件页地址； 第12个地址指示2级索引表地址，二级索引表中每个地址指示一个一级索引表地址； 第13个地址指示3级索引表地址，三级索引表中每个地址指示一个二级索引表地址。

 

 

问：

1. 1. 一个普通文件最多可有多少个文件页？
   2. 若要读文件J中某一页，最多启动磁盘多少次？
   3. 若要读文件W中某一页，最少启动磁盘多少次？
   4. 就上一问而言，为最大限度减少启动磁盘次数，可采用什么方法？此时，磁盘最多启动多少次？

 

• 普通文件组织成索引文件，普通文件的一页与盘块大小等长。 C=10+256+256^2+256^3
• 根目录常驻内存，下级文件在上级目录文件中的次序在图中为自左至右。读入A，读入D，读入J：1+1+c
• 读入C,I,P,U,W：1+1+1+1+1
• 尽量减少目录项内容使一块能存放更多目录项/常用目录缓存、多级目录常驻内存、则目录检索则最多5/0次磁盘操作，启动次数就决定于文件占用的盘块数

 

 

6、文件共享与保护

 

1）文件共享

1. 多个用户共享一份文件，只保留文件的一份副本，节约存储空间
2. 共享范围：单机系统/多主机系统/网络范围
3. 20世纪六七十年代，出现了若干文件早期共享方法，绕弯路法、连访法等，逐渐发展为现代一些共享方式
   1. 索引结点
   2. 符号链

①索引结点法

1. 基本FCB法：
   1. 名+详细信息。
   2. 直接在文件目录中包含文件的物理地址，该方法实现的共享不适用文件动态变化。一个用户对文件的修改（如物理块号增加），对其他用户不可见，共享文件的FCB信息记录同步更新困难。
2. 文件名+索引结点指针。
   1. 一个用户修改指针指向地址里的内容，指针不变，其他用户通过指针总能感知索引结点中的最新内容
   2. 索引结点中增加count计数
   3. 主人删除操作问题：

1. 删，共享用户访问错误；不删，计费问题。

 

 

②符号链法

1. 1. 创建一个link类型的文件：“文件名+共享文件路径”（类似快捷方式）
   2. 文件主人删除文件，共享者只会出现找不到文件错误。不会发生共享文件删除后出现悬空指针的情况。
   3. 该方法适用于网络文件共享，但根据路径检索共享文件的目标位置增加了访问开销，link文件独占索引结点也耗费一定的空间。
2. 无论哪种共享，链接就对应一个文件，如果遍历复制整个目录内的文件，可能会从多条路径对共享文件进行多次访问

 

2）磁盘容错

SFT，system fault tolerance

1. 防止磁盘故障造成的文件不安全
2. SFT I:磁盘表面故障
   1. 双目录、双文件分配表（空间冗余）
   2. 写后读校验、热修复重定向（时间操作冗余）
      1. 写入磁盘后再读回内存做一致性校验
      2. 热修复写过程：从坏道重定向到专区并记录
3. SFT II：磁盘驱动器、控制器故障
   1. 驱动器故障：磁盘镜像
   2. 控制器故障：磁盘双工——并行控制器，分离搜索加快读取

 

1. SFT III：高级容错技术
   1. 双机热备份
   2. 双机互备份
   3. 公用磁盘模式

 

*数据一致性

1. 一个数据分别存储到多个文件中，典型的如数据库
2. 保证数据一致性：

       高可靠存储器（冗余保证稳定，磁盘双工）+ 一致性软件

1. 概念
   1. 事务：对数据各处保存位置访问、修改使其维持一致性的一次操作。
   2. 事务记录：记录事务运行时数据项修改全部信息的数据结构：事务名、数据项名、旧值、新值。
   3. 恢复算法：利用事务记录表处理已完成、未完成事务。
   4. 检查点：每隔一段时间，将内存中的事务记录表、已修改数据、检查点输出到稳定存储器，
2. 并发控制
3. 重复数据的一致性

 

要点问答

• 存放在磁盘上的文件访问顺序如何：

既可随机访问，又可顺序访问。

• 操作系统中对信息进行管理的部分叫：

文件系统。

• 文件系统是：

文件、管理文件的软件及数据结构的总体。

• 从用户角度看，文件系统的主要目的是：

实现对文件的按名存取。

• 按文件的逻辑结构将文件分为两大类：

记录式文件和流式文件。

• 使用位示图（20行、30列）表示空闲盘块状态。当分配的盘块号为132号时，其在位示图中的行、列数为（行为0-19、列为0-29，首盘块号为1） 4、11。当释放的盘块号为318时，其在位示图中的行、列数为：

B=i*30+j+1;   b-1=i*30+j

i=b-1 div 30=10；mod= j=17

 

• 为了解决不同用户的文件“命名冲突”问题，通常在文件系统中采用：

多级目录结构。

• 按物理结构划分，文件主要有三类：

顺序文件、链接文件、索引文件。

• 操作系统实现按名存取的关键在于：

解决文件名与文件存储地址的转换。

 

• 文件系统提供了哪些基本操作？
• 若有甲乙两个用户，甲用户有两个文件A、B，乙用户有三个文件A、C、D，甲用户的文件A与乙用户的文件A不是同一个文件。甲用户的文件B与乙用户的文件B是同一个文件。请设计一个目录组织方案，并画图说明。
• 设某系统磁盘共有1600块，块号从0-1599，若用位示图管理这1600块的磁盘空间，问位示图需要多少个字节？
• 什么是文件的物理结构和逻辑结构？
• 文件顺序存取与随机存取的主要区别是什么？它们对有结构文件和无结构文件有何不同？