目录
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
文件管理程序结组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几何成为文件目录。
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
对文件实施有效的管理。必须对他们加以妥善组织，主要是两大操作。
基本信息记录FCB、目录项
方便检索、管理
目录管理要求
实现安明存取
提高对目录的检索速度
文件共享
允许文件重名。
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、是否呗进程锁住。是否已修改等。
MS-DOS的文件控制块
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使用。
如果目录占用5个盘块，则至多需启动5次磁盘读写。
索引节点
引入
文件目录占大量的盘块，需要进行的磁盘读写开销越大减少实际检索的i洗脑洗量就减少以哦对那个磁头的开销。提高速度
目录一般时按名检索。而直接找到正确文件前，只关心文件名，不需要其他的文件描述信息。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。
索引节点从外存到内存的过程中有不同的形式：
磁盘索引结点
存放磁盘上的索引节点。主要包括：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一下内容：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。
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。使设计好文件系统的重要环节。
单极目录结构
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：
先检索所有目录项，保证文件名唯一。
获得一个空白目录项。填入相关信息。修改状态位
删除一个文件：
找到对应目录项。回收文件所占用空间，删除目录项。
优点：简单、能实现目录管理的基本功能-按名存取
缺点：
文件检索时需要搜遍整个目录文件，范围大速度满，
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，
不败你于实现文件共享，一般只适用于单机环境
两级目录结构
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。
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。
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。
文件共享与保护
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。
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
磁盘容错
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
文件管理
文件和文件系统
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
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 管
理
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）
文件的逻辑结构
文件逻辑结构的类型
有结构文件（记录式）
①定长记录
②变长记录 如何组织记录：
⚫顺序文件。系统需按该类型记录“长度”，通常定长。
⚫索引文件。系统需为文件建立索引表。
⚫索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。
无结构文件（字符流式）
字节为单位，利用读写指针依次访问。
系统对该类文件不需格式处理。
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
顺序结构记录按关键字排序，可按关键字 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）。
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
一个索引文件可以有多个索引表 为方便用户根据不同记录属性检索记录， 为顺序文件建立多个索引表，每种能成为检索 条件的域都配备一张索引表。
◆索引文件的优缺点 适用于变长记录，可提高检索速度，实现直接 存取 索引表增加了存储开销
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。
外存分配方式
常用三种方式： 连续分配 链接分配（不连续） 索引分配
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。
连续分配
为每一个文件分配一组相邻的盘块。
逻辑文件中的记录顺序与存储器中文 件占用盘块的顺序一致。
优点：顺序访问容易，读写速度快
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
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。
优点：
◆离散分配，消除外部碎片，提高利用率
◆同时适用于文件的动态增长；修改容易
链接有两种形式
隐式链接
文件空间信息的目录项 中没有链接数据
◆链接信息隐含记录在盘块 数据中；
◆每个盘块拿出若干字节， 记录指向下一盘块号的指 针。
◆问题：只能顺着盘块读取， 可靠性低
显式链接（FAT)
◆记录盘块链接的 指针显示地记录为 一张链接表
◆所有已分配的盘 块号都记录在其中， 称文件分配表
◆为了提高文件系 统访问速度，FAT 一般常驻内存
◆属于一个文件的盘块通过链接 成为一体，每个链条的首地址作 为文件地址记录在相应文件的 FCB的“物理地址”字段中
计算
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；
单级索引分配
◆ 索引形式适合大文件
◆ 中、小型文件，只需若干链接即可。若用索引 分配方式，用一个盘块存放少量索引信息反而 不适用。
多级索引
◆若文件较大，存放索引表也需要多个 盘块（索引盘块）。
◆索引盘块亦需要按顺序管理起来 若索引盘块数量较少用指针链接的方式即 可；
若索引盘块较多，需对索引盘块也采用索 引方式管理，形成多级索引。
多级索引计算
混合组织索引
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
存储空间的管理
空闲表法和空闲链表法
空闲表法
常用于连续分配管理方式
①数据结构
系统为外存上的所有空闲区建立 一张空闲表 每个空闲区对应一个空闲表项 （表项包括序号、空闲区的第一 个盘块号、空闲盘块数等。）
将所有空闲区按其起始盘块号递 增的次序排列，如右图。
② 存储空间的分配与回收操作 与内存的动态分配类似，同样可采用首次适 应算法、循环首次适应算法等。
回收主要解决对数据结构的数据修改。
应该说明，虽然很少采用连续分配方式，然 而在外存的管理中，由于它具有较高的分配 速度，可减少访问磁盘的I/O频率，故它在 诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现 虚拟用的部分外存就是连续分配方式
空闲链表法
将所有空闲盘区拉成一条空闲链。
数据结构：链 根据构成链所用基本元素的不同，可 把链表分成两种形式：空闲盘块链 空闲盘区链
空闲盘块链
◆将磁盘上的所有空闲空间，以盘块为单位拉成一 条链。
◆因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次 摘下适当数目的空闲盘块分配给用户。
◆因删除文件而释放存储空间时，系统将回收的盘 块依次插入空闲盘块链的末尾。
◆优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但 为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次
空闲盘区链
◆分配通常采用首次适应算法。回收盘区时，将回收 区与相邻的空闲盘区相合并。
为提高检索速度，可以采用显式方法，为空闲盘区建立 一张链表放在内存中。
◆分配、回收操作涉及的链式数据结构的处理方便
位示图法——位示图
利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。
值为0表示对应的盘块空闲，为1表示已分配。
有的系 统则相反。
磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样 由所有盘块所对应的位构成一个集合，称为位示图。
◆总块数=m*n。可用m*n个位数来构成位示图，可看成是二维数组（数据结构）。
盘块的分配与回收
成组链接法
