第 七 、八 章 文件与磁盘空间管理
7.1 文件、文件系统
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。
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
不同的系统对文件的管理方式不同
大多用扩展名标志文件类型，按如下几种方式分类文件
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（尤其适用于记录文件）
还需要：“打开”与“关闭”：
文件读/写操作 = 检索 + 读/写。
每次读写前都要重复检索增大开销。所以为了方便对同一文件的多次读写，一次检索到文件后就在内存中记录其位置，避免重复检索。被记录下位置的文件就是“打开”文件；
不需要再操作文件时，通过“关闭”这个系统调用关闭文件——即从打开文件表上删除其路径信息即可。
其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作。
7.2 文件结构、外存分配
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。
文件结构：
文件的逻辑结构file logical structure：按用户观点如何组织数据；又称文件组织file organization
基本要求：检索速度高、方便修改、降低存储空间费用（不连续）
文件的物理结构：根据外存上的物理块的分配机制，记录文件外存的存储结构。用户感知不到的。
1）文件逻辑结构的类型
有结构文件（记录式）
①定长记录
②变长记录
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。系统需为文件建立索引表。
- 索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。
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。
目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度
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”
- 顺序结构；
- 链接式结构；
- 索引式结构。
*** 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 *220 / 29 = 1.2 *211 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 *211 * 12 bit
= 1.2 *211 * 1.5B = 3.6KB
以半字节（0.5B=4b）为基本单位,表项需12位（1.5B）
由上述公式，若容量为200M的磁盘，盘块仍为512B，FAT表大小如何？
FAT表表项有200K≈218 （个）
表项需20位，即2*8+4，2.5字节
FAT表需内存大小为200*2.5=500KB
***多级索引下的文件大小
若两级索引，盘块1KB，盘块号占4字节
一个盘块可存放的盘块号数有多少个
1KB/4B = 210/4 = 28 = 256（个）
二级索引下的文件可分配的最大盘块数
256 * 256 =26×210=64 K（个）
文件最大长度为
64K（个）*1KB=64MB
若盘块大小为4KB，单级索引允许文件最大长度为4MB（4K/4*4KB），二级索引则文件最大可达4GB（1K*1K*4KB）。
7.3 目录、存储空间管理
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。
典型的管理方法：
1）空闲表和空闲链表法
2）位示图法
3）成组链接法
1）空闲表法和空闲链表法
空闲表法
常用于连续分配管理方式
1.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
（表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块数等。）
将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列，如右图。
2.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。
应该说明，虽然很少采用连续分配方式，然而在外存的管理中，由于它具有较高的分配速度，可减少访问磁盘的I/O频率，故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现虚拟用的部分外存就是连续分配方式）
空闲链表法
将所有空闲盘区拉成一条空闲链。
1.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
2）位示图法——位示图
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=m*n。可用m*n个位数来构成位示图，可看成是二维数组（数据结构）。
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
（如12号盘块转换后为1，12）
修改位示图。
3）成组链接法
大型文件系统，空闲表或空闲链表太长不方便管理操作。
UNIX系统中采用成组链接法，这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法。
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。
文件控制块—FCB
在文件控制块中，通常含有以下三类信息。
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
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。
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。
目录管理
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：
- 基本信息记录(FCB,目录项)
- 方便检索、管理（目录操作）
目录管理的要求如下：
- 实现“按名存取”；（最基本功能）
- 提高对目录的检索速度；
- 文件共享；
- 允许文件重名。
7.4 共享、保护、一致性
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
共享范围：单机系统/多主机系统/网络范围
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
- 索引结点
- 符号链
2）磁盘容错
SFT，system fault tolerance
防止磁盘故障造成的文件不安全
SFT 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
SFT 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