10.文件系统接口

• 文件结构
  • 目的：便于程序理解文件内容
  • 文件结构有
    • 无结构：文字流、字节流等
    • 简单记录结构：线性、固定长度、可变长度等
    • 复杂结构：格式化文档、多媒体文件等
  • 由操作系统、程序决定了文件结构
• 文件类型
  • 文件类型一般由扩展名决定
  • 扩展名又称为后缀名，是标识文件类型的一种机制。
• 文件属性
  • 文件名：唯一，便于记忆
  • 文件位置：设备上文件位置的指针
  • 文件类型：文件的格式
  • 文件大小：文件当前大小
  • 保护：读、写、执行等访问控制信息
  • 时间、日期和用户标识：保护、安全和使用跟踪的数据
  • 文件属性保存在目录中
• 文件操作
  • 创建文件
  • 写文件
  • 读文件
  • 在文件内重定位
  • 删除文件
  • 截断文件
  • 打开文件
  • 关闭文件
• 文件需要的数据结构
  • 打开文件表：跟踪打开文件
  • 文件指针：指向最后一次读写的位置，每个进程1个
  • 打开文件计数器：打开文件次数（调用open次数）
  • 文件存储位置：文件存放在存储设备上的位置信息
  • 访问权限：每个进程的访问权限
  • 优点：
    • 方便文件共享
    • 提高文件存取效率
• 逻辑文件
  • 文件呈现在用户面前的组织结构
  • 又称为文件逻辑结构
  • 逻辑文件决定了文件访问方法
    • 顺序访问：文件信息按照存放书顺序一个记录一个记录的依次访问
    • 直接（随机）访问：可以直接定位到文件的某条记录进行访问
  • 顺序文件
    • 访问方式：顺序访问
    • 依次访问时间，不能直接跳转到文件的指定位置
    • 优先：节省存储空间
    • 缺点：访问效率差
  • 直接文件
    • 访问方式：直接访问
    • 直接通过计算得到需要读写记录的位置，直接跳转进行文件读写
    • 优点：访问效率好
    • 缺点：浪费存储空间
  • 索引文件
    • 基本方法：为顺序文件建立索引表
• 文件控制块
  • File Control Block（FCB）
  • 存放操控文件所需的各类文件属性信息
    • 文件名
    • 长度
    • 创建时间
    • 存放位置
    • 访问控制权限
    • ....
  • 类似一个索引项
• 目录项和目录
  • 目录项
    • 存放一个文件的各类属性
    • 有的系统中等同于FCB
  • 目录
    • 包含着所有文件信息的节点集合
    • 根据文件名检索文件的桥梁
    • 目录项的有序集合
  • 目录文件
    • 目录组织形式
    • 目录作为一个文件存在于文件系统
• 目录和文件
  • 每个目录项中存放了文件在存储设备的存放地址
  • 目录和文件都驻留在存储设备
• 目录相关操作
  • 搜索文件
  • 创建文件
  • 删除文件
  • 列出目录
  • 重命名文件
  • 跟踪文件系统
  • 打开目录
  • 创建目录
  • 删除目录
  • 遍历目录
  • 读目录
  • 切换目录
  • ....
  • 这些操作和文件本身无关
• 文件检索过程
  • 文件检索是一个遍历目录项的过程
    1. 打开目录文件
    2. 从磁盘导入该目录文件的1个物理块，该块包含若干个目录项
    3. 根据文件名遍历内存中的该块，如找到则结束
    4. 判断该目录文件是否还有物理块没有读入，如果是转2；否则，结束。表示该目录中没有此文件名的文件
  • 目录项由于经常变化，一般不排序
  • 平均遍历目录项数：（1+n）/2 （不包括文件查不到的情况）
• 目录性能
  • 物理块：内存和存储设备数据交换基本单位。一个物理块一般为4KB、8KB和16KB等
  • 目录性能：读入尽可能少的物理块（耗时少）
  • 如果
    • 目录项大小= ds bytes
    • 目录中最多文件数 = n
    • 物理块大小 = b
  • 那么
    • 目录文件大小 = ds x n bytes
    • 目录文件需要的物理块数目 = ds x n / b
    • 检索一个文件需要平均读入的块数 = （ds x n / b +1） / 2
  • 因此
    • 降低 ds => 降低读块数
    • 降低 n => 降低读块数
• 目录结构的设计目标
  • 效率
    • 快速定位文件位置
    • 提高文件访问效率
  • 命名
    • 方便用户使用
    • 同名的不同文件
    • 不同命的相同文件
  • 分组
    • 文件分组（子目录）
    • 兼顾效率和方便性
• 单层目录
  • 所有文件在同一目录中，只有一级目录：根目录
  • 根目录：一个文件系统最顶层的目录
  • 优点：结构简单
  • 缺点：
    • 检索效率差（目录下文件过多）
    • 不能有同名文件，一个文件只能有一个名称
    • 不能分组
• 双层目录
  • 每个用户有自己的目录结构
  • 目录下的目录
  • 缺点：
    • 无法分组
    • 同一用户不能有相同文件名的文件
  • 优点
    • 不同用户可有相同文件名的文件
    • 比单层目录提高检索效率
• 树型目录
  • 双层目录的扩展：2层->N层
  • 特点
    • 检索效率高
    • 可以分组
    • 允许重名
  • 当前目录：工作目录
    • cd/spell/mail/prog
    • type list
  • 绝对路径
    • 从根开始的路径名
  • 相对路径
    • 从当前目录开始的路径名
    • 提高检索效率
• （有向）无环图目录
  • 文件共享：不同目录中的文件指向同一个物理文件，也就是它们的内容相同
  • 树型目录不能实现文件共享
  • 解决方法：图型目录
    • 无环图目录
    • 通用图目录
  • 无环图：有向边无环