第8章文件管理.优秀PPT.ppt

第8章文件管理28.1 文件系统的概念文件系统的概念文件系统的引入信息用户检索存储器许久存储解决如何安排存储器?运用何种存取方法?如何组织信息?用户用户共享共享如何命名?如何爱护?文件系统3文件：以文件名字标识的在计算机上存储的信息集合。文件名依据文件的定义，每个文件必需有一个唯一的文件名，不论是系统管理，还是用户运用文件都运用文件名。DOS、WINDOWS系统中文件名：文件名 文件扩展名例：*.xxx oschapter1.pptUNIX系统中的文件名：一个不大于14个字符的字符串。区分字母的大小写。没有文件名和文件扩展名之分。例：hello.c Unix中认为符号“.”是名字一部分，名字由7个字符组成。4文件系统操作系统中负责管理和存取文件信息的软件。主要功能实现“按名存取”。用户依据可见的文件逻辑结构供应的方式进行信息的加工和存取。这种逻辑结构独立于物理存储设备，对用户透亮，用户不必了解文件存取的物理细微环节，由文件系统进行文件名到文件存储设备物理地址的映射。对磁盘等外存空间进行统一管理。用户创建文件时为其安排外存空间，用户删除或修改文件时回收或调整其外存空间，以提高外存空间的利用率。5供应合适的文件物理结构。文件在物理设备上的存放方式称为文件的物理结构，一个好的文件物理结构会给系统带来好的空间和时间利用率。完成对存放在存储设备上的文件信息的查找。供应用户接口。如键盘吩咐、图形菜单、批处理和系统调用函数，均由文件系统供应。供应有关文件自身的服务，如文件的共享和爱护以及文件完整性限制等。6文件分类文件分类按文件性质和用途分类(*)按文件爱护方式分类（*）按文件的逻辑存储结构分类有结构文件：由若干个记录构成的文件，又称记录式文件；无结构文件：由字符序列所构成的文件，又称为流式文件。7按用户观点分类按用户观点分类一般文件一般文件(常规文件常规文件)：是指系统中最一般组织：是指系统中最一般组织格式的文件，一般是字符流组成的无结构文件；格式的文件，一般是字符流组成的无结构文件；书目文件：是由文件的书目信息构成的特殊文书目文件：是由文件的书目信息构成的特殊文件，操作系统将书目也做成文件；件，操作系统将书目也做成文件；特殊文件（设备驱动程序）：在特殊文件（设备驱动程序）：在UNIX或或Linux操作系统中，全部的输入输出外部设备都被看操作系统中，全部的输入输出外部设备都被看作特殊文件便于统一管理。作特殊文件便于统一管理。8按存取的物理结构分类(详见后面章节)依次（连续）文件：链接文件：索引文件：98.2 文件逻辑结构与存取方法文件逻辑结构与存取方法 8.2.1 逻辑结构逻辑结构文件的结构：文件的组织形式逻辑结构。这是从用户观点动身，视察到的文件组织形式，是用户可以干脆处理的数据及其结构。物理结构。文件在外存上的存储组织形式，指在保证文件逻辑一样性的安排方式下所形成的文件结构，对于用户透亮。文件磁盘文件存入取出保证逻辑一致性保证逻辑一致性10文件的逻辑结构分类：字符流式由字符序列组成的文件，是无结构文件，其内部信息不再划分结构，也可以理解为该文件的基本信息单位是字符。记录式文件有结构文件。其文件信息被划分为若干条记录，用户以记录为单位组织信息。常用的记录式文件有以下几种：连续结构多重结构转置结构依次结构8.2.2 存取方法文件存取：文件修改、搜寻等操作。文件存取实现前提：查找文件逻辑地址常用的存取方法：依次存取法随机存取法（干脆存取法）按键存取法1）.依次存取法依次存取法依据文件的逻辑地址依次存取信息。记录式文件：按记录的排列依次来存取。流式无结构文件：当存取完一段信息后，读写指针自动加上或减去该段信息的长度，以便指出下次存取时的位置。2）.随机存取法随机存取允许用户依据记录的编号来存取文件的任一记录，或者是依据存取吩咐把读写指针移到要读写处进行读写。UNIX系统及MS-DOS等操作系统都接受依次存取和随机存取两种方法。3）.按键存取法按键存取法是依据给定的键或记录名首先搜寻到要进行存取的记录的逻辑位置，再将其转换到相应的物理地址后进行存取。应用：数据库管理系统。无论接受何种文件存取方法，都是首先定位信息的逻辑地址，然后由逻辑地址映射到物理地址，再对物理地址内的信息进行操作。由逻辑地址到物理地址的映射是和文件的物理存储方式（物理结构）紧密相关的。文件系统所接受的逻辑结构也和文件的物理结构亲密相关。对上述观点的说明：物理块与逻辑块关系8.3文件的物理结构与存储设备16一个文件存储介质，格式化后就分成很多大小相等的单位存储块（物理块），在现代计算机系统中，一般来说，每个物理块是一个磁盘的扇区，长度为512字节或1024字节。并给每个存储块有个编号，称为物理块号。为了有效地利用存储设备和便于系统管理，一般把文件信息划分为与物理存储设备的物理块大小相等的逻辑块。从而，以块作为安排和传送信息的基本单位。物理块与逻辑块关系17文件的物理结构文件物理结构：文件在外存上的存储组织形式。文件的物理结构分类依次（连续）文件链接文件索引文件18连续文件将一个逻辑上连续的文件信息依次存放到连续的物理块中。文件数据结构起始块号文件长度19例文件A的逻辑块号为0、1、2、3，其连续文件的物理结构如下图所示。优点：简洁，不占用额外的存储空间，对连续存取有最好的时空效率。缺点：时间开销大。对数据进行增删改动，完成操作后仍需保持物理上的连续，大量的物理块移动导致。20串联文件（链接文件）接受物理上不连续的块存放文件，并运用指针实现各块间逻辑上的连续性。上例中，文件A假如接受串联安排，其物理存储结构如下图所示。21优点运用串联文件结构时，只需供应当文件的第一个物理块号，无须供应文件长度。串联文件结构下，文件长度可以动态增长，增删便利，只要调整指针就可以便利地插入或删除信息块。缺点由于逻辑块号到物理块号的转换须要由第一块起先，依照指针的指引，在队列中逐块查询，而每获得一个指针值都必需读一次物理块。对磁盘等设备而言，为了读取某个数据块可能造成磁头大幅度移动而花费很多的时间开销。所以该文件结构查询效率极低。串联安排适于逻辑上连续，且存取也是依次访问的文件。串联结构不适合随机存取。22索引文件每个文件对应一个索引表，索引表描述逻辑块与物理块的映射关系。索引表的结构：逻辑块号及对应的物理块号上例中的文件A假如接受索引结构，其文件物理结构如下图所示。串联与索引都是物理块安排不连续方式，只是组织管理空闲块的方法不同。23优点：既适用于依次存取也适用于随机存取，且时间效率高。缺点：须要付出索引表占用的存储空间由于索引表存放在外存，所以访问索引表会增加读盘次数当文件很大时，其索引表项也相应增长，使得查询效率下降。解决方法：接受多级索引方式。多级索引：当某级索引表很长时，在该级索引的基础上再建一级索引，形成一个索引树，以提高查询效率。24一级索引安排的另一种图表示法25二级索引一个索引块不够存放文件序列时，为索引块再建立一级索引，形成两级索引安排方式。推广到三级索引安排以上的统称多级索引安排。26例：每个盘块大小为1KB，每个盘块号占4个字节，若接受一级索引方式，则在一个索引块中可存放多少个盘号？若接受两级索引，则最多可存放的盘块数为多少？允许的文件最大长度是多少？分析：两级索引：见索引图文件长度：共有N个盘块，每个盘块的大小M=N*M27解：一级索引方式，盘块数=1KB/4B=256个两级索引，盘块数=256*256=64K个允许的文件最大长度=64K*1K=64MB28混合索引安排将干脆地址与多级索引方式结合形成。某文件系统的文件部分FCB如下图所示，接受索引数组表示文件的物理存储，分别为干脆、一级、二级、三级索引（间接）结构。假设用4个字节表示物理地址，2KB（4个扇区，每个扇区512字节）为安排单位：请问该文件系统可存储的最大文件长度是多少（最终结果可给出表达式）？给出计算过程。0123456789一次间接二次间接三次间接文件信息 文件信息 文件信息 文件信息 文件信息 文件信息 文件信息 二次间接三次间接索引数组与一次间接相同，省略间接指向的其他 文件地址索引块这个内存块存放的是地址文件块这个内存块存放的是文件解：干脆地址：指向10个文件块一级索引：每个内存块为2KB，每个地址占4B，一级索引块内可存放的地址个数=2KB/4B=29个地址，即该索引块指向29（512）个文件块。二级索引：指向512*512个文件块共有一个二级索引块，指向512个一级索引块，每个一级索引块指向512个文件块。三级索引：指向512*512*512个文件块共有一个三级索引块，指向512个二级索引块；每个二级索引块指向512个一级索引块；每个一级索引块指向512个文件块。文件块总数：10+512+512*512+512*512*512文件长度：文件总块数*每块长度（2KB）31文件存储设备磁盘、磁带、光盘等，其中磁盘又可以分为硬盘、软盘和U盘。存储设备的物理结构和存取方法存储设备的特性确定了文件可能的物理结构和存取方法。分类依次存取设备干脆存取设备文件存储设备32依次存取设备磁带是一种典型的依次存储设备。特点：从前到后依次访问物理块结构：存储块、间隔交替（如下图）为了让磁带机在存取物理块时有加速和停止的缓冲区域，磁带上两个相邻物理块之间设计了一个间隔将它们隔开。与存取速度和数据传输率相关的因素：信息密度（字符数英寸）磁带带速（英寸秒）块间间隔33干脆存取设备磁盘是典型的干脆存取设备。特点：该设备允许文件系统干脆存取磁盘上的随意物理块。访问指定的物理块时，磁头可干脆定位到目标位置，无需磁带依次设备那样事先存取其前面的物理块。结构：磁盘一般由若干盘片组组成。每个盘片被格式化为若干磁道，每磁道又被分割为若干扇区，每扇区存放相同容量的信息。多个盘面的同一磁道形成同一个柱面。其中每个盘片对应一个装有读写磁头的磁头臂，由磁头臂上两个读写磁头分别对磁盘片的上下两面进行读写。所以，磁盘上每个物理盘块的位置可以由柱面号、磁头号和扇区号表示。磁盘结构如图所示。348.4 文件存储空间管理文件存储空间管理文件存储空间的管理空闲块的组织空闲块的安排与空闲块的回收管理外存空间的方法空闲文件书目法、空闲链表法、位示图法1.空闲文件书目空闲文件书目法把文件存储设备中的空闲块的块号统一放在空闲区文件书目中。安排组织回收序号序号起始空闲块号起始空闲块号空闲块个数空闲块个数空闲块号空闲块号0323,4220320,21,222.空闲块链空闲块链把空闲块以链表形式组织。安排：当申请者须要空闲块时，安排程序从链头起先摘取所须要的空闲块，然后调整链首指针。回收：把释放的空闲块插入链尾。3.位示图法用二进制位（bit）表示物理块是否被安排，每个bit代表一个物理块，1代表已安排，0代表空闲。安排：找0位安排，并置为1回收：将物理块对应的位（bit）置为037388.5 文件书目管理文件书目管理文件书目管理的功能实现按名存取存储空间的有效利用快速搜寻文件命名冲突文件共享39文件的组成文件包括两部分文件体文件说明（FCB文件限制块）基本信息文件名文件物理位置：文件结构：指示文件的逻辑结构和物理结构。存取限制信息运用信息408.5.2文件书目文件书目文件书目：一个文件的文件说明信息（FCB）称为该文件的书目。分类：一级书目、二级书目和多级书目一级书目思想：把全部的文件都登记在一张书目表中，按文件名查找书目得到文件存放的地址。操作：建立一个新文件时就在文件书目中增加一个书目项；每当删去一个文件时就在文件书目中删去该文件的书目项。41一级文件书目示例42二级文件书目第一级为系统书目，也称为主书目(MFD)，它包含了用户书目名和指向该用户书目文件的指针；系统内一张，按用户分类。其次级为用户书目(UFD)，它包含了该用户全部文件的文件书目项。43多级文件书目结构接受树型数据结构组织。文件的路径名:由根书目到该文件的路径上全部书目文件名和该文件的符号名组成，它是文件的外部标识。不在同一个子书目下的文件允许同名。1432651413121110789448.5.3便于共享的文件书目实现文件共享的方法绕道法链接法基本文件书目表4514314131211S：当前书目文件E：被共享文件与被共享文件所在路径的交叉点1、绕道法运用绕道法进行文件共享时，用户从当前书目动身向上返回到与运用绕道法进行文件共享时，用户从当前书目动身向上返回到与所要共享文件所在路径的交叉点，再依次下访到共享文件。所要共享文件所在路径的交叉点，再依次下访到共享文件。2.链接法将一个书目中的链指针干脆指向被共享文件所在的书目。将一个书目中的链指针干脆指向被共享文件所在的书目。14314131211当前书目文件被共享文件3.基本文件书目表（BFD）文件书目的内容分成两部分：基本文件书目表（BFD）：存放除文件名之外的其他信息。如：结构信息、物理块号、存取限制和管理信息符号文件书目表（SFD）：存放文件名及内部标识符。基本文件书目表共享方法建立索引表，内部标识ID为0；建立空闲文件书目表，内部标识ID为1；主书目MFD为根书目，内部标识ID为2；其余SFD、BFD内部标识ID从3起先依次安排。例：找寻Zhang/Sub-d/w.c的过程标识标识标识标识符符符符物理物理物理物理块号块号块号块号0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 9用户名用户名IDIDWangWang3 3ZhangZhang4 4主书目（MFD）空闲文件书目文件名文件名IDIDa.ca.c5 5b.cb.c6 6Wang的SFD文件名文件名IDIDf.cf.c6 6z.cz.c7 7Sub-dSub-d8 8Zhang的SFDa.cw.c9Sub-d的SFD IDb.cf.cz.cw.c索引表SE：得到w.c物理地址508.5.4书目管理复习：文件说明信息=文件的书目对文件书目的管理=对文件说明信息的管理。通过书目（文件说明信息），可以完成对文件的创建、检索以及维护。51问题：存取文件效率低书目文件（文件说明信息）存放在外存，存取文件时，先要访问书目文件。需花费大量时间进行I/O操作，造成CPU奢侈，降低处理速度。最佳解决方法：将当前正在运用的文件的书目表（部分）复制到内存。52将书目文件复制到内存运用的操作文件打开（fopen）将书目文件从内存删除运用的操作文件关闭（fclose）供应形式：系统调用538.6文件存取限制文件存取限制文件的存取限制涉及到文件的共享、爱护和保密。文件的共享是指不同的用户共同运用一个文件。文件的爱护则指文件本身须要防止文件的拥有者或其他用户破坏文件内容。文件保密是指未经文件拥有者许可，任何用户不得访问该文件。问题归结：用户对文件的运用权限（读、写、执行）的许可权问题。54操作系统对于文件存取权限限制应当作到以下几点：对于拥有读、写或执行权限的用户，应当允许其对文件进行相应权限的操作。对于不具备读、写或执行权限的用户，应当禁止其对文件进行相应的操作。应当防止冒充其它用户对文件进行存取的行为。应当防止拥有存取权限的用户误用文件。55操作系统供应的存取限制验证模块分三步验证用户的存取操作权限：审定用户的存取权限；比较用户权限的本次存取要求是否一样；将存取要求与被访问的文件的限制权限比较，看是否有冲突。56操作系统通过以下四种方法实现文件的存取限制：方法一：存取限制矩阵存取限制矩阵用一个二维表格描述不同文件针对不同用户的存取限制权限，当用户向文件系统提出存取某个文件的要求时，由存取限制模块依据该矩阵中的内容进行验证，匹配则允许，不匹配则拒绝。用用户户权权限限文文件件名名WangZhangLia.cRWEREEb.cRWRRWEx.cERWEE57例：Linux接受该方法，它将用户分为三类：文件主、同组用户和其它用户，这样，每个文件针对不同类型用户的存取权限只须要9位二进制位即可描述。用用户户文文件件名名文件主文件主A组组B组组其它其它a.cRWERWEEb.cRWERWRx.cREENone方法二：存取限制表存取限制表以文件为单位，将用户按某种方式划分为若干类，按类进行存取限制权限的设定。58方法三：口令口令有两种：一种用于设定用户对计算机系统的运用权限，可由计算机系统的拥有者指派，用户登录系统时输入口令并交由操作系统进行检验；另一种则是用户创建文件时为文件设置的口令，该口令设定了用户打开文件的权限。口令方式简洁、快捷、易于实现，但是保密性能差，一旦口令被泄露，运用者将获得文件主对文件的运用权限，没有任何限制，因而保密级别低。方法四：密码（密码学角度）密码具有很高的保密级别。用户创建源文件，将其编码加密后写入磁盘存储设备，读出文件时须要对该密文进行译码解密。由于加密方法只有用户自己知道，因此也只有用户自己才能解密，使这种方法具有很高的密级。但这种方法须要花费加密和解密的系统时间开销，所以一般状况下不会运用，只有须要高密级爱护的文件才运用密码进行加密。598.7文件的运用（*）608.8文件系统的层次模型*层次结构法的优点：可以依据系统所供应的功能来划分各种不同的层次。下层为上层服务，上层运用下层的功能。上下层之间无需了解对方的内部结构和实现方法。易于设计，易于理解，易于实现，便于管理和维护。61图8.23文件系统的层次模型*62补充补充:文件完整性文件完整性定义：是指文件的不失真性分类：物理上的完整性：损坏存储设备逻辑上的完整性：掉电保证文件完整性的措施：转储（备份）周期性的全量转储周期性的增量转储63周期性全量转储固定的时间周期：如一周一次全部文件转存缺点由于是全量转储，因而须要消耗很多的系统时间。由于转储时间长而可能导致在转储过程中文件系统被迫停止工作。周期性增量转储固定的时间周期：短周期，如一天一次发生变更部分为了确定哪些文件发生了变更，系统必需对文件进行跟踪，并标记那些更新了的文件，周期性地对做了标记的文件进行转储，转储后清除更新标记。