操作系统：文件管理

这篇文章是我网上查询到的，并非原创

文件管理

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一、引言

操作系统作为系统资源的管理者，提供的功能主要有

• 处理机管理
• 存储器管理
• 文件管理
• 设备管理

计算机中存放了各种各样的文件，一个文件有哪些属性？ 文件内部的数据应该怎样组织起来？ 文件之间又应该又应该怎么组织起来？

从下往上看，OS应提供哪些功能，才能方便用户、应用程序使用文件？

从上往下看，文件数据应该怎么存放在外存（磁盘）上？

二、文件的逻辑结构

1. 逻辑结构的概念

所谓的“逻辑结构”，就是指在用户看来， 文件内部的数据应该是如何组织起来的。

而 “物理结构”指的是在操作系统看来，文件的数据是如何存放在外存中的。

类似于数据结构的“逻辑结构”和“物理结构”。

如“线性表”就是一种逻辑结构，在用户角度看来，线性表就是一组有先后关系的元素序列，如：a, b,c,d,e…… “线性表”这种逻辑结构可以用不同的物理结构实现，如：顺序表/链表。顺序表的各个元素在逻辑 上相邻，在物理上也相邻；

而链表的各个元素在物理上可以是不相邻的。因此，顺序表可以实现“随 机访问”，而“链表”无法实现随机访问。

可见，算法的具体实现与逻辑结构、物理结构都有关（文件也一样，文件操作的具体实现与文件的逻 辑结构、物理结构都有关）

文件的逻辑结构分为：

• 无结构文件

• 有结构文件

• • 顺序文件
  • 索引文件
  • 索引顺序文件

2. 无结构文件

无结构文件：文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称“流式文件”。

如： Windows操作系统中的.txt 文件。

文件内部的数据其实就是一系列字符流，没有明显的结构特 性。因此也不用探讨无结构文件的逻辑结构问题。

3. 有结构文件

a. 定义

有结构文件：由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”。每条记录又若干个数据项组成。

如： 数据库表文件。一般来说，每条记录有一个数据项可作为关键字（作为识别不同记录的ID），记录可以是定长的或可变长的

b. 逻辑结构

根据有结构文件中的各 条记录在逻辑上如何组 织，可以分为三类

• 顺序文件
• 索引文件
• 索引顺序文件

顺序文件

文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。

索引文件

对于可变长记录文件，要找到第i个记录，必须先顺序第查找前i-1个记录， 但是很多应用场景中又必须使用可变长记录。如何解决这个问题？

建立一张索引表以加快 文件检索速度。每条记录对应一个索引项。

索引顺序文件

思考索引文件的缺点**：每个记录对应一个索引表项，因此索引表可能会很大**。

比如：文件的每个记录平均只占8B，而每个索引表项占32个字节，那么索引表都要比文件内容本身大4倍，这样对存储空间的利用率就太低了。

索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的 结合。

索引顺序文件中，同样会为文件建立 一张索引表，但不同的是：并不是每个记录 对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。

为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立多级索引表。

三、文件目录

1. 文件控制块 FCB

目录本身就是一种有结构文件，由一条条记录组成。每条记录对应一个放在该目录下的文件。

目录文件中的一条记录就是一个 文件控制块FCB

FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。

FCB实现了文件名和文件之间的映射。

2. 目录结构

• 单极目录结构

早期操作系统不支持多级目录，整个系统中只有一张目录表，每个文件占一个目录项目，不允许文件重名

• 两级目录结构

早期的多用户操作系统，采用两级目录结构，分为主文件目录 和 用户文件目录

两级目录结构允许不同用户的文件重名，但依然缺乏灵活性，用户不能对自己的文件进行分类

• 多级目录结构

又称树形目录结构，不同目录下的文件可以重名

树形目录结构可以很方便的对文件进行分类，层次结构清晰，也能够有效的对文件进行管理和保护，但树形结构不便于实现文加共享。为此，提出了无环图目录结构

• 无环图目录结构

可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至同一个目录

3. 索引结点—FCB的改进

• 除了文件名之外的所有信息都放到索引结点中，每个文件对应一个索引结点
• 目录项中只包含文件名、索引结点指针，每个目录项的长度大幅减小
• 由于目录项长度减小，因此磁盘中可以存放更多目录项，因此检测文件时磁盘I/O的次数减少了很多

四、文件的物理结构（文件分配方式）

1. 定义

文件分配方式：即文件数据应该怎样存放在外存中

• 连续分配

• 链接分配

  • 隐式链接

  • 显示链接

• 索引分配

2. 连续分配

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

连续分配支持顺序访问 和直接访问（即随机访问）

读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。

• 优点：连续分配的文件在顺序读/写时速度最快，支持顺序访问和随机访问；
• 缺点**：物理上采用连续分配的文件不方便拓展，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片。**

3. 链接分配

链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。

隐式链接

除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。

优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高。

缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量 的存储空间。

显示链接

把用于链接文件各物理块的指针显 式地存放在一张表中。即 文件分配表（FAT，FileAllocationTable）

注意：一个磁盘仅设置一张FAT。 开机时，将FAT读入内存，并常驻 内存。

**优点：**很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高，并且支持随机访问。相比于隐式链接 来说，地址转换时不需要访问磁盘，因此文件的访问效率更高。

**缺点：**文件分配表的需要占用一定的存储空间。

4. 索引分配

索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文 件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表——建立逻辑页面到物理页之间 的映射关系）。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

可见，索引分配方式可以支持随机访问。 文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可） 但是索引表需要占用一定的存储空间

若文件太大，索引表项太多，可以采取以下三种方法解决：

• ① 链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。

  缺点：若文件很大，索引表很长，就需要将很多个索引块链接起来。想要找到i号索引块，必须先依次读入0~i-1 号索引块，这就导致磁盘I/O次数过多，查找效率低下。

• ② 多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据 文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问 一个数据块只需要K+1次读磁盘操作。

  缺点：即使是小文件，访问一个数据块依然需要K+1次读磁盘。

• ③ 混合索引：多种索引分配方式的结合。

  例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接 指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表） 。

  优点：对于小文件来说，访问一个数据块所需的读磁盘次数更少。

5. 三种文件分配方式总结对比

五、文件共享

1. 基于索引结点的共享方式—硬链接

硬链接实际上就是为文件建一个别名，链接文件和原文件实际上是同一个文件。

在 Linux 的文件系统中，保存在磁盘分区中的文件不管是什么类型都给它分配一个编号，称为索引节点号inode。

硬链接是不会建立 inode 的，他只是在文件原来的 inode 的 link count 域中增加 1 而已，因此硬链接是不可以跨越文件系统的。

硬链接删除的时候，系统调用会检查 inode link count 的数值，如果大于等于 1，那么 inode 就不会被回收，也即文件的内容不会被删除。

2. 基于符号链的共享方式—软链接

软链接，其实就是建立一个新的文件，这个文件是专门用来指向别的文件的（和快捷方式类似）。

也就是说，软链接会产生一个新的 inode，不过这个 inode 只是指明源文件的字符串信息，一旦源文件删除了，那么软链接将变得毫无意义。

软链接可以跨越文件系统 。

由于软链接的方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O，因此软链接访问共享文件的速度比硬链接要慢

六、文件保护

1. 口令保护

2. 加密保护

3. 访问控制

七、磁盘

1. 磁盘结构

磁盘：磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据

磁盘结构如下：

• 磁道（Track）：磁盘的盘面被分为一个个磁道。

• 扇区（Track Sector）：一个磁道又被分成一个个扇区，每个扇区就是一个磁盘块，每个扇区中存放的数据量相同。

  扇区是最小的物理储存单位，目前主要有 512 bytes 与 4 K 两种大小；

  

• 盘面（Platter）：一个盘片可能会有多个盘面。所有盘面中相对位置相同大的磁道组成柱面

  

• 磁头（Head）：与盘面的距离很近，能够将盘面上的磁场转换为电信号（读），或者将电信号转换为盘面的磁场（写）；

• 制动手臂（Actuator arm）：用于在磁道之间移动磁头；

• 主轴（Spindle）：使整个盘面转动。

  

2. 如何在磁盘中读写数据

需要把磁头移动到想要读写的扇区所在的磁道。磁道会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读写操作

3. 磁盘调度算法

读写一个磁盘块的时间的影响因素有：

• 寻道时间（制动手臂移动，使得磁头移动到适当的磁道上）
• 旋转时间（主轴转动盘面，使得磁头移动到适当的扇区上）
• 实际的数据传输时间

其中，寻道时间最长，因此磁盘调度的主要目标是使磁盘的平均寻道时间最短。

先来先服务 FCFS

First Come First Served

按照磁盘请求的顺序进行调度。

优点是公平和简单。缺点也很明显，因为未对寻道做任何优化，使平均寻道时间可能较长。

最短寻道时间优先 SSTF

Shortest Seek Time First

优先调度与当前磁头所在磁道距离最近的磁道。

虽然平均寻道时间比较低，但是不够公平。如果新到达的磁道请求总是比一个在等待的磁道请求近，那么在等待的磁道请求会一直等待下去，也就是出现饥饿现象。具体来说，两端的磁道请求更容易出现饥饿现象。

扫描/电梯算法 SCAN

SSTF算法会产生饥饿的原因在于：磁头有可一直在一个小区域内来回移动。为了防止这个问题，可以规定，只有磁头移动道最外层磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动。这就是扫描算法，类似于电梯，电梯总是保持一个方向运行，直到该方向没有请求为止，然后改变运行方向。因此也称电梯算法

循环扫描算法 C-SCAN

SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均，而C-Scan算法就是为了解决这个问题。规定只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动到起始端而不处理任何请求