操作系统第四章文件管理，操作系统学习笔记

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第四章 文件系统

4.1 导学

学习内容：

(一)文件和文件系统;(二)文件的结构和存储方式;(三)文件存储空间管理;(四)文件的安全和保护;(五)改进文件系统性能。

学习重点：

(1)什么是文件系统;(二)文件的逻辑和物理结构;(三)文件的顺序和随机存储方法;(四)文件目录和目录文件;(五)文件存储空间的管理方法;(六)文件的权限设置;(7)优化磁盘上的文件存储。

4.2文件管理概览

什么是文件：在外部存储介质上存储一个具有符号名称的有关信息的集合。

文件命名：

(1)文件存储在外部存储介质上,每个文件都有一个名称,即文件名称,以方便用户使用。(2)文件名标识文件。用户使用文件名使用文件,无需依赖物理位置和访问方法。(3)文件系统的基本功能是实现基于名称的文件检索。(4)不同的操作系统对文件名称的规则略有不同,即文件名称的格式和长度也取决于系统。(5)文件扩展名用于区分文件类型,但应该指出,在某些系统中,它不被系统所理解。

文件属性：

(1)文件属性是文件描述的信息。(2)文件由两个部分组成:文件内容和文件属性。

常见的文件属性：

（1）文件名。(二)文件的内部识别。(三)文件的物理位置。（4）文件拥有者。（5）文件权限。（6）文件类型。（7）文件长度。（8）文件时间。

文件分类：按用途划分：

（1）系统文件。（2）库文件。（3）用户文件。

按性质划分：

（1）普通文件。（2）目录文件。（3）特殊文件。

按保护级别划分：

（1）只读文件。（2）读写文件。（3）可执行文件。（4）不保护文件。

根据文件数据的性质:

（1）源文件。（2）目标文件。（3）可执行文件。

文件的操作：

(1)为了使用户更容易使用文件系统,文化系统通常为用户提供多种调用接口,用户通过这些接口在文件上进行各种操作。(二)文件本身的操作。(三)记录的运作。

常用的文件操作：创建、删除、打开、关闭、读写、中断、读写位置。

文件系统及其功能：负责管理和存储操作系统中的文件的软件机构称为文件系统。管理文件的软件系统, 文件本身, 以及存储文件的设备.文件系统由三个部分组成:

(1)与文件管理有关的软件。(二)管理的文件。(三)实现文件管理所需的数据结构。

常用的文件系统：FAT：Dos，Win9x。NTFS：Windows NT, win2000, winXP, win7, win8, win10。Ext2/Ext3/Ext4：Linux。HFS：Mac OS。ExFAT/FAT64：Flash Memory。

4.3 文件结构

文件结构：

文件的逻辑结构:从用户的角度来看,我们看到的是一个独立于文件的物理特性和用户直接处理的数据及其结构的文件组织形式。文件的物理结构是文件在外部存储器上的特定存储结构。

文件的逻辑结构：

记录的文件是逻辑上总是在序列中看到记录的集合。它是被分成长记录和长记录的结构化文件组织。流文件(英语:Stream file),又称非结构文件(non-structural file),是一个由一系列相关信息组成的有序字符串流,不再分隔文件内部的记录。

4.4文件目录管理

文件目录概念：

(1)为了实现“基于名称的检索”,必须在外部存储空间中的文件名与物理地址之间建立相应的关系,反映这个称为文件目录的相应的数据结构。(二)为了组织多个文件目录并将其以文件的形式存储在外部磁盘上备份,这构成一个目录文件。

文件控制器FCB：

(1)每个文件被记录在文件目录中,作为文件系统创建和维护的文件列表。(2)每个文件的文件目录项也称为文件控制块FCB。FCB通常包括文件存储的控制信息;文件结构的信息;使用文件的信息;以及文件管理的信息。(3)每当创建一个新的文件,系统就会为它创建一个FCB,该FCB记录文件的所有属性信息。多个文件的FCB构成文件目录,文件目录也存储在文件格式中,即目录文件。

unicode的索引端点:

(1)为了减少索引文件访问的物理块数,Unix文件系统将文件名和其他管理信息分隔在文件目录项中,后者形成一个单独称为索引点的固定长度的数据结构,其代码是索引数。(2)外部存储器上的每个文件都有相应的外部索引节点,这些索引节点集中于文件存储器上的索引节点区域。(3)外部索引节点记录文件的属性和相关信息。

文件目录结构：

(1)主要从逻辑角度,即从用户的角度讨论目录结构。(2)根据目录结构,目录可以分为:单级目录、二级目录、多级目录、没有循环结构的目录和具有图形结构的目录。

单级目录的特点：

(1)单级目录是最简单的,因为它在整个文件系统中创建和维护一个单个目录表,其中包含所有系统上的文件。(二)在总目录表中进行检索、创建和恢复;缺点是文件不能被重新命名,文件搜索很慢。

二级目录的特点：

(1)二级目录可以解决文件重命名问题,即将系统目录分成一个主目录表和多个子目录表。(2)在使用文件时,用户必须提供用户名和文件名。(三)在添加新用户时,系统为新用户创建用户目录;在删除用户时,目录可以被删除。(4) 优点: 增加文件检索速度, 表明用户名可以大大减少需要检索的文件数目; 部分允许文件名被重新命名, 并且同样的文件名可以在不同的目录中使用。(五)二级目录的缺点是两个同名文件不能存在于同一用户。

树形目录的特点：

(1)树形目录是二级目录的扩展。优点:它使用户更容易找到文件和分类不同类型和不同用途的文件;它允许文件被重命名;使用多层次层次关系,它使建立保护文件的存储权更容易,这对文件的保护是有益的。缺点: 不能直接支持文件或目录共享.

循环目录的特点:

(1)树目录结构有利于实现文件分类,但难以实现文件共享;(二)根据树形目录结构,添加一些指向端点的方向侧面,使整个目录成为方向非环图。(3)引入循环目录结构是为了实现文件共享。

图形结构目录的特点: 通过图形结构目录中的链接文件实现文件共享.

相对路径和绝对路径:

(1)绝对路径从根目录的视角看到文件的访问路径。(二)相对路径是从工作目录访问文件的路径。(3)使用相对路径的优点使得整个目录不需要经过,从而节省磁盘访问,从而提高文件访问效率。

4.5.1文件存储空间管理-混合索引方法

外存的空间管理：

(1)文件管理的主要功能之一是如何分配外部存储媒体创建文件的空间,如何恢复删除文件的空间,以及如何管理自由空间。一个可以随机存储的磁盘的特性非常适合实现文件系统,因此磁盘是最常用的文件外部存储介质。讨论了两个主要问题:一个是分配磁盘自由空间;另一个是有效管理磁盘自由空间。

磁盘空间分配策略:

(1)大多数情况下,许多文件存储在同一磁盘上;(二)分配自由空间有三个方法:连续空间分配;链接空间分配;和索引空间分配。

连续空间分配:连续空间分配是最简单的磁头移动的磁盘空间分配策略。 对于这类文件,目录通常只包括文件名、文件块的初始地址和文件长度。

链接空间分配：

(1)每个文件都有相应的磁盘块的链接表,这些磁盘块可以在磁盘上任何地方分发,除了最后一个,每个磁盘块都有一个指向下一个的指针。(二)它们对用户是透明的。(3)对于使用链接空间的文件,目录项通常只包括文件名、文件启动块和文件末端块。(4)优点是没有外部碎片,每个自由块可以被用来分配。(5)缺点是,连结空间分配策略只有在按顺序访问时才有效。

索引空间分配：

(1)不仅避免在连续空间分配中存在外部碎片和有限的文件长度,而且支持直接访问任何一个文件块。(二)指标块的分布会增加系统存储空间的成本。(3)索引块的大小选择是索引空间分配策略的一个重要问题。(4)检索文件需要两个访问外部存储器——首先读取索引块的内容,然后访问特定磁盘块,从而降低文件检索速度。

组合空间分配：联合空间分配是团队中的分配策略的组合:

(一)一般文件,其大小大多在10块以内,数据的磁盘块数可立即使用直接项取得,从而更快地保存文件;(2)对于超过10块的较大文件,可以使用10块以上的间接文件(最大256个磁盘块)。如果您仍不能释放它,则使用二次间接(最大256)²个盘块号）；(4)对于大型文件,可以使用最多三个间接文件(最多256个)³盘块号）。(五)优势不仅包括上述多分配策略的所有优点,而且非常灵活。(6)缺点是存在一个间接索引,需要多个访问磁盘并影响速度。

4.5.2磁盘空间管理-分组连接方法

空闲空间管理：

(1)为了合理组织磁盘空间的分配和恢复,文件系统必须随时跟踪磁盘空间的分配,以便它随时可以分配给新的文件或目录。(2)为了记录自由磁盘空间,系统通常保持一个自由空间表,记录所有自由块,即尚未分配到文件或目录的那些块。(三)空空间表的实现方法有多种,这里讨论了一些常见的实现方法。

空闲表法：

(1)自由表方法属于连续分配方法,与内存动态分配方法类似,为每个文件分配一个连续存储空间。(2)存储空间的分配和恢复:自由磁盘空间的分配与动态存储空间的分配类似,也可以使用第一个适应算法、第一个循环适应算法等。(3)应该指出,虽然在内存分配中连续分配很少使用,但它仍然在管理外部内存的许多分配中占有一席之地,因为它具有较高的分配率和减少了访问磁盘的I/O频率。

空闲链表法

4.6文件安全与保护

4.7提高文件系统性能

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