文件和文件系统
1.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。
有结构：由相关记录组成
无结构：字符流的形式
属性：类型、长度、物理位置、创建时间
2.文件类型
按用途：系统、用户、库文件
按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件
按存取控制属性：只执行、只读、读写
按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设备）文件
3.文件系统模型
系统管理文件模型
4.文件操作
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
还需要：“打开”与“关闭”：
文件读/写操作 = 检索 + 读/写
其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作。
文件的逻辑结构
1.文件逻辑结构的类型
（1）有结构文件（记录式）
①定长记录
②变长记录
组织记录：
1>顺序文件。系统需按该类型记录“长度”，通常定长。
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。
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
具体的寻址过程：
第i条记录地址（定长） ：
读写指针 + 记录长度： ptr + i*L
第i条记录地址（变长） ：
扫描或读取前面0~i-1条记录
第i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
优缺点：
1.不方便随机存取某条记录，但适用批量存取的场合。
2.适合磁带等特殊介质。
3.单记录的查找、修改等交互性差；增减不方便
—>改进办法：把增删改的记录登记在一个事务文件中，在某段时间间隔后再与原文件合并更新。
2>索引文件。系统需为文件建立索引表。
索引表内容：
索引号、长度、记录地址指针
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
一个索引文件可以有多个索引表
为方便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。
优缺点:
1.适用于变长记录，可提高检索速度，实现直接存取
2.索引表增加了存储开销
3>索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。
既要方便，又要降低开销
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，但每个表项记录的是每组第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。
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。
可利用多级索引，进一步提高检索效率。
（2）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。
外存分配方式
目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度
常用三种方式：
①连续分配
缺点：
（1）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。
（2）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；
②链接分配（不连续）
可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。
1>隐式链接
2>显式链接
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
③索引分配
1>单级索引分配
索引形式适合大文件
中、小型文件，只需若干链接即可。若用索引分配方式，用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。
2>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
3>混合组织索引
多种索引方式相结合
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”
存储空间的管理
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。
1.典型的管理方法：
1）空闲表法
常用于连续分配管理方式
①数据结构
1>系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表
2>每个空闲区对应一个空闲表项
3>将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列
②存储空间的分配与回收操作
1>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。
2>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：
1>空闲盘块链
分配回收简单。链表长，大量分配时需要操作的指针多
2>空闲盘区链
链表长度不定，分配时操作的指针数量相对较少，但分配回收操作相对复杂。
3）位示图法
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。
总块数=mn。可用mn个位数来构成位示图，可看成是二维数组。
盘块的分配与回收
根据位示图进行盘块分配：
1>顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。
2>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;（j从1开始）
3>修改位示图。*
根据位示图进行盘块回收：
1>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
2>修改位示图。
优点：
1>从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块。
2>但限于容量问题，常用于微型机和小型机中。
3）成组链接法
中心思想：
1>链表长度上限固定
2>组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且分配回收比较简单。
3>支持离散分配回收。
①空闲盘块的组织
②空闲盘块的分配与回收
目录管理
1.FCB内容
（1）包含信息
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。
2.索引结点
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
*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。
内存索引结点
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
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。
组织好文件的目录，是设计好文件系统的重要环节。
目前常用的目录结构形式有
1>单级目录
最简单的目录结构。
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：
先检索所有的目录项，保证文件名唯一。
获得一空白目录项，填入相关信息，修改状态位。
删除一个文件：
找到对应目录项，回收文件所占用空间
清除目录项
优点：
简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。
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,一般只适用单机环境。
2>两级目录
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。
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
特点
克服了单级目录的缺点
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。
缺点：
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
适用于较大的文件系统管理
在文件数目较多时，便于系统和用户将文件分散管理
4.目录查询技术
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。
目录查询方式：
①线性检索法
又称为顺序检索法。
单级目录中
用户提供文件名，顺序查找文件目录。
树型目录中
用户提供路径名，如/user/ast/mbox
对多级目录进行逐层查找。
②Hash方法
文件共享与保护
1.文件共享
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
方式：
①索引结点法
基本FCB法：
名+详细信息。
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，对其他用户不可见，共享文件的FCB信息记录同步更新困难。
文件名+索引结点指针。
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
索引结点中增加count计数
②符号链法
1>创建一个link类型的文件：“文件名+共享文件路径”
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.磁盘容错
防止磁盘故障造成的文件不安全
①SFT I:磁盘表面故障
双目录、双文件分配表（空间冗余）
写后读校验、热修复重定向（时间操作冗余）
写入磁盘后再读回内存做一致性校验
热修复写过程：从坏道重定向到专区并记录
②SFT II：磁盘驱动器、控制器故障
驱动器故障：磁盘镜像
控制器故障：磁盘双工——并行控制器，分离搜索加快读取
③SFT III：高级容错技术
双机热备份
双机互备份
公用磁盘模式