目录与文件管理

文件控制块—FCB

为了能对一个文件进行正确的存取,必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构,称之为“文件控制块”(FCB)

文件与文件控制块一一对应

记录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息。(是谁?在哪里?什么权?)

文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各种操作。

  把文件控制块的有序集合称为文件目录,即一个文件控制块就是一个目录项。通常一个文件目录也被看作是一个文件,称为目录文件


目录管理

u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:

1.基本信息记录(FCB,目录项)

2.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。


1)FCB内容

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。

关于文件检索的速度:

文件FCB组成的“目录”文件存放于磁盘;需要时,要从磁盘将目录内容调入内存进行检索和使用。

如果目录占用5个盘块,则至多需启动5次磁头读写,如何提高检索速度?

2)索引结点

索引结点的引入

文件目录占越大量的盘块,需进行的磁盘读写开销越大。减少实际检索的信息量就减少移动磁头的开销,提高速度;

目录一般是按名检索。而直到找到正确文件前,只关心文件名,不需要其它的文件描述信息,目录中这部分内容的调入不是必须的。

所以:将文件名、文件具体信息分开,使文件描述信息单独形成一个索引结点。


索引结点由外存到内存的过程中有不同的形式:

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

单级目录

两级目录

多级目录

①单级目录结构(Single-Level Directory)

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(表明每个目录项是否空闲)。

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:

文件检索时需搜遍整个目录文件,范围大速度慢。

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。

不便于实现文件共享(因为不能重名,不同用户使用的共享文件必须不同名字,标识哪些用户共享文件也不方便),一般只适用单机环境。

②两级目录结构( Two-Level Directory )

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。

基本克服了单级目录的缺点,并具有以下优点:

提高了检索目录的速度。

在不同的目录中可重名。

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。

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多级目录结构

适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like)

在文件数目较多时,便于系统和用户将文件分散管理。

层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等

但目录级别太多时也会增加路径检索层次,增加磁盘访问时间。

相关名词:

目录结构

主目录称为根目录,数据文件为树叶,其它目录为结点。多级目录缩小检索范围提高检索速度和文件系统的性能。

路径名

从根目录到任何数据文件都只有一条唯一通路。目录文件名和数据文件名依次用“/”连接起来,即构成数据文件的路径名。

当前目录

为每个进程设置一个“当前目录”,又称“工作目录”。

从当前目录开始,逐级经过中间的目录文件,最后达到要访问的数据文件。这一路径上的目录和数据文件名用“/”连接成路径名,称为相对路径名。

从根开始的路径名称为绝对路径名

4)目录查询技术

用户要访问一个已存文件

目录数据调入内存;

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

找该文件控制块

读FCB或对应索引结点;

从文件物理地址换算出文件在磁盘上的物理位置;

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:线性检索法和Hash方法。

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。

1、文件和文件系统

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


目录与文件管理_第1张图片


目录与文件管理_第2张图片

4)文件操作

操作系统提供哪些文件操作?

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)

2、文件的逻辑结构

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顺序文件

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)

顺序结构记录按关键字排序,可按关键字检索

定长:结合折半查找算法等提高检索速度

变长:从第1个记录开始顺序扫描,直到扫描到要检索的关键字标识的记录(例如:数据库、文件系统的基于文件名排序的目录检索)

顺序文件的优缺点:

不方便随机存取某条记录,但适用批量存取的场合。

适合磁带等特殊介质。

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

为了方便单个记录的随机存取,为文件建立一个索引表,记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度;该索引表按关键字排序,。

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

③索引顺序文件

既要方便,又要降低开销

本方式是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。

④直接文件

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。

注意与逻辑结构名类似但不是一回事。

缺点:

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。

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;

适用于变化不大顺序访问的文件,在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区

2)链接分配

可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。

设置链接指针,将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表,这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。

FAT 与 NTFS 技术

早期MS-DOS:12位的FAT12文件系统

Windows95、98:升级到FAT32

Windows NT后:NTFS

    物理磁盘分逻辑卷(分区),每卷都有一个单独区域存放自己的文件系统目录和FAT表。

FAT12

表项12位。能支持的硬盘容量仅为8M。

2^12(个)*512B*4(分区数)=2^23B=8M

磁盘容量不断增大,可将若干盘块组为一簇。以簇为单位分配空间

FAT表记录簇号,表项数量减少,一定程度上提高了检索速度,减少了指针开销,

但该改进有限,且会形成簇内碎片。12位的格式对磁盘容量仍有很大限制

FAT16

增加FAT表的项数,16位可管理的盘容量为

2^16*64*512B(一簇含64个盘块)=2048M

若磁盘容量为8G,则每簇大小达到128K(8G/2^16),簇内碎片最大会到128K。浪费严重。

FAT32

簇不能太大,只能继续增加表项位数,以记录更多数量

FAT32规定每簇4KB(即8个512B的盘块),该格式能管理的单个最大磁盘空间为2^32*4KB=2TB。

簇大小合适,空间利用率提高;但分配表的扩大使运行速度相对慢了;可支持长文件名;有最小空间管理限制,卷必须大于512M,单个文件长度不能大于4G,不能向下兼容。

NTFS

New technology file system

采用64位磁盘地址,理论上支持2^64字节的磁盘分区;

支持长文件名;

系统纠容错功能

提供数据一致性、文件加密、压缩等功能

磁盘组织

以簇为单位分配回收、但不规定盘块大小

磁盘格式化时确定卷的簇大小(物理磁盘扇区的整数倍),512M以内的小磁盘默认簇大小为512B,1G的默认大小为1KB。。。大多数情况是4KB

卷上簇编号为LCN,用户用到的簇顺序编成用户虚拟簇号VCN,NTFS可进行VCN到LCN的映射

文件组织

以卷为单位,将卷的所有文件信息、目录信息、可用未分配空间记录在主控文件表MFT中。

每个文件的信息对应一行,固定大小1KB,称为元数据

文件属性信息、文件数据较少时就直接写在MFT中;较多超出1KB时,记录存放这些信息的簇地址指针。

兼容性上也有不足

3)索引分配

链接的不足

顺序检索的时间成本:不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取,仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。

链接信息的空间成本:FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时,FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的

改进:

系统运行时只涉及部分文件,FAT表无需全部调入内存

每个文件单独建索引表(物理盘块索引),记录所有分配给它的盘块号;

建立文件时,便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息;

③混合组织索引(增量式索引组织方式)

多种索引方式相结合,以UNIX system V的索引结点为例:

一个索引结点定义为13个地址项:iaddr(0)~iaddr(12),总的来说分为两种:直接地址、间接地址

iaddr(0)~iaddr(9)存放直接地址,即存文件数据的盘块号;

iaddr(10)存放单级索引的索引盘块号;

剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。

iaddr(11)存放二级索引的主索引盘块号

iaddr(12)存放三级索引的主索引盘块号

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。

成组链接法

链表长度上限固定

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。

支持离散分配回收。

空闲盘块的组织

空闲盘块号栈。

用来存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号(最多含100个号)

栈中尚有的空闲盘块号数N。

(N兼具栈顶指针用。栈底为S.free(0),栈满时栈顶到达S.free(99),N=100,表示有100个盘块供使用。

空闲盘块的分配与回收

分配盘块时,须调用分配过程来完成。

先检查空闲盘块号栈是否上锁,如没有,便从栈顶取出一空闲盘块号,将与之对应的盘块分配给用户,然后将栈顶指针下移一格。

若该盘块号已是栈底,即S.free(0),到达当前栈中最后一个可供分配的盘块号。

读取该盘块号所对应的盘块中的信息:即下一组可用的盘块号入栈。

原栈底盘块分配出去。修改栈中的空闲盘块数。

回收

回收盘块号记入栈顶,空闲数N加1

N达到100时,若再回收一块,则将该100条信息填写入新回收块。

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