【操作系统概念】文件管理

文件系统的分层组织结构

（自上而下）

• 逻辑文件系统
  • 负责文件系统的逻辑结构（元数据）
• 文件组织系统
  • 负责给文本数据分配磁盘块
  • 管理空闲磁盘块
• 基本文件系统
  • 以磁盘块为单位给文件进行读写
• IO控制
  • 有设备驱动程序和中断处理程序。实现内存和磁盘之间的信息传输

 

一、文件目录管理

 

1、目录：一个包含文件所有信息的节点的集合，用于组织文件；目录结构和文件都驻留在磁盘上

2、目录的相关操作

• 搜索文件
• 创建文件
• 删除文件
• 遍历目录
• 重命名文件
• 遍历文件系统

 

3、目录结构

• 单层目录

文件系统为存储设备的所有文件建立一张目录表

• 一个目录对应所有用户
• 命名：不允许有重名文件
• 分组

• 双层目录

将目录分为2级：主目录（MFD）和用户文件目录（UFD）

• MFD = {用户名，用户子目录所在的物理位置}
• UFD = {登记该用户所有文件的FCB}

产生于多用户分时系统，文件主目录和表目按用户分，每个用户有一个用户文件目录。

特点：

• 不同用户可以为文件取相同的名字
• 有效搜索
• 没有分组功能

• 树状结构目录

特点

• 有效的搜索
• 支持分组
• 但概念目录：文件路径名一般较长，而用户总是局部地使用文件。故为了方便起见，可以把经常使用的文件所在目录指定为工作目录（或者当前目录）
• 可以进行存储权限控制

• 无环图目录
  • 硬链接
  • 符号链接

特点

• 具有共享的子目录和文件
• 文件可能拥有多个绝对路径名（不同文件名指向同一个文件）

 

二、文件组织系统实现

 

1、磁盘空间分配

• 连续分配
  • 特点
    • 简单：只需要记录起始块号&文件长度（块数）
    • 可以很方便地支持随机访问
  • 缺点
    • 存在空间浪费，要求有连续的存储空间
    • 文件变长的时候比较难以处理
      • 必须事先知道文件的长度，以后不能动态增长（被预留空间、重新分配和移动所掌控）
      • 不利于文件插入删除
      • 存在外部碎片
  • 解决方案：紧凑
• 链接分配
  • 每个磁盘块中留出一个指针地址，用来进行块链接
  • 空间管理：浪费较少
  • 缺点：不支持随机访问
• 索引分配
  • 文件信息存放在若干不连续的物理块中。系统为每个文件建立一个专用数据结构，索引表，并将这些块号存放在一个索引表中。索引表完成逻辑块号和物理块号的映射。
  • 优点：
    • 既可以满足文件动态增长的需求，又可以较为方便迅速地实现随机存取（毕竟把逻辑块号和物理块号放一起了，串联他们这个是分散的）
  • 缺点：
    • 由于使用了索引表而增加了存储空间的开销
    • 存取文件的时候至少访问存储器两次以上（一次访问索引表，一次根据索引表提供的物理块号访问文件信息），就很慢。所以可以改进位，对某个文件操作之前系统预先把索引表放到内存里。
  • 改进：
    • 文件很大索引表也很大——间接索引（多重索引）

2、空闲空间管理

• 空闲文件目录法
  • 把一个连续的未分配区域（可能包括若干空闲块）看作一个文件，称为空白文件
  • 系统为所有的空白文件建立一个目录，即空白文件目录，每个目录表对应一个空闲文件，记录该空闲文件的起始块号和快熟。
  • 空闲块的分配和内存管理里面的可变分区方法相似，同样可以用最先适应，最佳适应，最坏适应。
  • 缺点：空闲文件目录是一个连续表，要占用较大的辅存空间
• 空闲块链法
  • 按照空闲区大小顺序链接的方法
    • 增加或移动 块的时候开销较大
  • 按照释放先后顺序链接
  • 按成组链接法
    • 把文件存储设备中所有空闲块按照50块划分为一组
    • 组的划分从后往前一次划分
  • 缺点：每次释放物理块时要完成拉链工作，虽然只是在一块中写一个字节，但其工作量和写一块相差无几
• 位示图法
  • 用一个二进制位记载一个物理快的使用情况。系统为每个文件存储设备建立一张位示图。0空闲，1占用。想找N个自由块的话，可以先搜索位示图，找到N个0位，再经过一次简单换算得到对应地址。
  • 缺点：分配时需要顺序扫描空闲去（0）速度慢，而且物理块号并未再图中直接反映出来，需要进一步计算。

三、文件系统底层

• 一个磁盘可以分成多个分区，一个分区可以跨多个磁盘
• 一个卷（文件系统）在使用前必须安装；取消安装之后就不能再访问了
• 磁盘调度
  • FCFS
    • 按照到达顺序移动磁头
  • SSTF最短寻道时间有限算法
    • 选择与磁头位置最近的待处理请求
    • 基本上是一种短作业有线调度，可能会产生饥饿
  • SCAN电梯算法
    • 磁臂从磁盘一端向另一端移动（方向意味），当磁头移过每一个柱面的时候，处理位于该柱面上的请求服务。当到达另一端的时候，改变方向继续处理。
  • C-SCAN提供了一种更均匀的等待时间
    • 将磁头从磁盘的一端移到另一端，边移动边处理请求。但是磁头移动到另一端时候马上返回磁盘开始，返回的时候不处理请求。（就是把柱面当作环，最后一个柱面和第一个柱面相连w）
  • C-LOOK算法
    • 磁头只移动到一个方向上最远请求为止，接着马上返回，而不是移动到磁盘尽头