老狗——目录管理与文件共享

目录管理与文件共享

      • 文件控制块—FCB
  • 一. 目录管理
      • 1)FCB内容
      • 2)索引结点
      • 3) 目录结构
          • ① 单级目录结构(Single-Level Directory)
          • ② 两级目录结构( Two-Level Directory )
          • ③ 多级目录结构
      • 4)目录查询技术
  • 二. 文件共享与保护
      • 1)文件共享
          • ① 索引结点法
          • ② 符号链法
      • 2)磁盘容错
          • SFT,system fault tolerance
          • *数据一致性

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。

一. 目录管理

  • 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:
    基本信息记录(FCB,目录项)
    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。

文件物理位置:
对于连续文件:文件起始块号;
对于链接文件:指向第一个物理块的指针;
对于索引文件:索引表地址。

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。

两级目录的特点

  • 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。

*Hash方法

  • 曾介绍的Hash文件。
  • 如果建立了一张Hash索引文件目录,便可利用Hash方法进行查询
  • 系统将用户提供的文件名变换为文件目录的索引值,再利用该索引值到目录中去查找,将显著的提高检索速度。
  • 对于使用通配符的文件名系统无法利用Hash法检索目录,还是需用线性查找法。

二. 文件共享与保护

1)文件共享

  • 多个用户共享一份文件,只保留文件的一份副本,节约存储空间
  • 共享范围:单机系统/多主机系统/网络范围
① 索引结点法
  • 基本FCB法:
    名+详细信息。
    直接在文件目录中包含文件的物理地址,该方法实现的共享不适用文件动态变化。一个用户对文件的修改(如物理块号增加),对其他用户不可见,共享文件的FCB信息记录同步更新困难。
  • 文件名+索引结点指针。
    一个用户修改指针指向地址里的内容,指针不变,其他用户通过指针总能感知索引结点中的最新内容
    索引结点中增加count计数
    主人删除操作问题:删,共享用户访问错误;不删,计费问题。
② 符号链法

创建一个link类型的文件:“文件名+共享文件路径”(类似快捷方式)

文件主人删除文件,共享者只会出现找不到文件错误。不会发生共享文件删除后出现悬空指针的情况。

该方法适用于网络文件共享,但根据路径检索共享文件的目标位置增加了访问开销,link文件独占索引结点也耗费一定的空间。

  • 无论哪种共享,链接就对应一个文件,如果遍历复制整个目录内的文件,可能会从多条路径对共享文件进行多次访问

2)磁盘容错

SFT,system fault tolerance
  • 防止磁盘故障造成的文件不安全

  • SFT I:磁盘表面故障

    双目录、双文件分配表(空间冗余)

    写后读校验、热修复重定向(时间操作冗余)
    写入磁盘后再读回内存做一致性校验
    热修复写过程:从坏道重定向到专区并记录

  • SFT II:磁盘驱动器、控制器故障
    驱动器故障:磁盘镜像
    控制器故障:磁盘双工——并行控制器,分离搜索加快读取

  • SFT III:高级容错技术
    双机热备份
    双机互备份
    公用磁盘模式

*数据一致性
  • 一个数据分别存储到多个文件中,典型的如数据库
  • 保证数据一致性:
    高可靠存储器(冗余保证稳定,磁盘双工)+ 一致性软件
  • 概念
    事务:对数据各处保存位置访问、修改使其维持一致性的一次操作。
    事务记录:记录事务运行时数据项修改全部信息的数据结构:事务名、数据项名、旧值、新值。
    恢复算法:利用事务记录表处理已完成、未完成事务。
    检查点:每隔一段时间,将内存中的事务记录表、已修改数据、检查点输出到稳定存储器,
  • 并发控制
  • 重复数据的一致性

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