系统03：15min导图复习 文件管理

前言

图源：文心一格

 考研笔记整理，纯复习向，思维导图基本就是全部内容了，不会涉及较深的知识点~~

• 第1版：查资料、画思维导图~

编辑： 梅头脑

参考用书：王道考研《2024年 操作系统考研复习指导》

参考视频：4.1_1_初识文件管理_哔哩哔哩_bilibili

---

思维导图 

• 思维导图为整理王道教材操作系统第4章文件管理，如果看不清的话，可以试试存到本地然后放大~
• 博文后面会以大纲的形式复述一遍，面向复习，不会写得很详细，且可能有误；如果想仔细了解知识点，或许可以考虑以下两种方式~
  • 王道咸鱼老师的视频：4.1_1_初识文件管理_哔哩哔哩_bilibili
  • 较为重要的内容有从网络找相关配图并给出原文链接，点击配图的链接可以传送到各位大佬博文，也很适合快速复习~

---

目录

前言

思维导图 

目录

文件管理

文件系统基础

文件逻辑结构

文件物理结构

文件存储空间管理【空闲块】

目录

文件系统

计算

混合索引分配

读页访盘次数

减少访盘次数

结语

---

文件管理

• 文件系统基础

  • 基本概念

    • 概念：文件是以硬件为载体的存储在计算机上的信息集合
      • 计算机在实现资源的分配和调度时，以进程为基本单位
      • 计算机在用户进行的输入、输出中，以文件为基本单位
    • 组成
      • 数据项：文件系统中最低级的数据组织形式
      • 记录：一组相关的数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性
      • 文件：创建者所定义的、具有文件名的一组相关元素的集合

  • 文件控制块【FCB】

    • 信息
      • 基本信息：如文件名、文件的物理位置、文件的逻辑结构、文件的物理结构
      • 存取控制信息：如文件主的存取权限、核准用户的存取权限以及一般用户的存取权限
      • 使用信息：如文件的创建时间、上次修改时间等
    • 目录文件
      • 目录项：创建文件时，系统将分配一个文件控制块【FCB】并存放在文件目录中，成为目录项
      • 目录文件存放的信息：子目录文件、数据文件的目录项

      

    图源：操作系统&文件管理之FCB_文件fcb-CSDN博客

  • 文件索引节点【inode】

    • 描述：有的系统【如UNIX】采用了文件名和文件描述信息分开的方法，使文件描述信息单独形成一个成为索引节点的结构
    • 目录：在文件目录中的每个目录仅由文件名和指向该文件所对应的i节点的指针构成
    • 磁盘索引节点：存放在磁盘上的索引结点，每个文件有一个唯一的磁盘索引结点
    • 内存索引节点：存放在内存中的索引结点，当文件被打开时，将相应的索引节点从磁盘复制到内存中

      

    图源：文件系统 | 文件的物理结构 - 知乎

  • 文件的操作 | 用户接口

    • 文件的基本操作：创建文件、写文件、读文件、重新定位文件、删除文件、截断文件
    • 文件的打开与关闭
      • 打开
        • 单个文件打开：调用open根据文件名搜索目录，将指明文件的属性从外存复制到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号返回给用户
        • 多个文件打开：通常采用两级表，整个系统表【包含FCB的副本和其他信息】和每个进程表【打开的所有文件，包含指向系统表中适当条目的指针】
      • 关闭
        • 系统打开表为每个文件关联一个打开计数器【open count】，每次关闭使count递减，计数器为0时，可从系统打开文件表删除相应条目
      • 打开文件关联信息：文件指针、文件打开计数、文件磁盘位置、访问权限

  • 文件的保护

    • 口令保护【防止文件被窃取】：用户在建立一个文件时提供一个口令，系统建立FCB时附上相应口令
    • 加密保护【防止文件被窃取】：用户对文件进行加密，文件被访问时需要使用秘钥
    • 访问控制【对文件的访问方式】：使用精简访问控制列表【拥有者、组、其它】，根据用户类型进行控制，灵活性很高，必须由系统实现

• 文件逻辑结构

  • 概念：从用户观点出发看到的文件的组织形式，与存储介质特性无关

  • 结构
    • 无结构文件【流式文件】

      • 概念：一系列二进制或字符流组成
      • 访问：穷举搜索
      • 适用：基本信息单位操作不多的文件【例，txt、源程序文件】

    • 有结构文件【记录式文件】
      • 概念：文件由若干个相似的记录组成【例，数据库】
      • 记录组织形式

        • 顺序文件
          • 概念：记录一个接一个地顺序排列，可以顺序存储或以链表形式存储
          • 适用：读或写大批记录的效率较高、对于顺序存储设备【如磁带】只有顺序文件才能被存储
        • 索引文件
          • 定长记录文件：可按 “记录地址=首地址+记录长度x条数”
          • 非定长记录文件：必须顺序查找前i-1条记录
          • 特点：提高了存取速度，但配置索引表增加了存储空间
        • 索引顺序文件
          • 概念：为顺序文件建立一张索引表，查找记录时，通过索引表找到所在的组，然后在组内顺序查找
          • 特点：提高了存取速度，但配置索引表增加了存储空间
          • 查找次数
            • 最理想状态：N条记录的顺序文件，记录分为组，每组 条记录
            • 查找次数：近似，或严格
        • 散列文件
          • 概念：通过散列函数转换的键值直接决定记录的物理地址
          • 特点：有很高的存取速度，但是会引起冲突，即不同关键字的散列函数值相同

          

        图源：文件的逻辑结构_蜗牛_Chenpangzi的博客-CSDN博客

• 文件物理结构

  • 概念：研究文件的实现，即文件数据在物理存储设备上是如何分布和组织的
  • 文件的分配方式【非空闲块】
    • 连续分配

      • 描述：每个文件在磁盘上占有一组连续的块
      • 插入记录访问磁盘次数 = 移动块次数x2(读写访存2次) + 1(写入块访存1次)
      • 优点：支持顺序访问与随机访问，实现简单、存取速度快
      • 缺点：插入、删除较为复杂，且经常存取会增加外部碎片；文件不宜动态增加
      • 适用：存储长度固定或者是较大的文件，例如视频文件

      图源：2021-10-24 文件的物理结构-CSDN博客

    • 链接分配

      • 描述：离散分配，笑出了磁盘的外部碎片，提高了磁盘的利用率
      • 隐式链接
        • 描述：目录项中含有文件第一块和最后一块的指针，每个文件对应一个磁盘块的链表，每个盘块含有指向下一个盘块的指针
        • 插入记录访问磁盘次数 = 移动块次数x1(读访存2次) + 2(写入块并修改指针访存2次)
        • 文件最大访问长度 = 地址最大长度 x 单位地址大小 = 2^(指针大小 bit) x (文件块大小 - 指针大小)
        • 缺点：只适合顺序访问，不适合直接【随机】存取，稳定性很差
        • 改善：将几个盘块构成簇，减少查询时间
      • 显示链接
        • 描述：把用于链接文件各物理块的指针，从每个物理块的末尾提取出来，显式地存放在内存的文件分配表【FAT】中
        • 特点：系统启动时就会读入内存，显著提高了检索速度，减少了访问磁盘的次数

        

      图源：4.1.4 OS之文件的物理结构。-CSDN博客

    • 索引分配

      • 描述：把每个文件所有的盘块号都集中在一起构成索引块（表）
      • 优点：支持直接访问，且没有外部碎片的问题
      • 缺点：由于索引块的分配，增加了系统存储空间的开销
      • 索引块大小
        • 链接方案：为了支持大文件，可以将多个索引块连接起来
        • 多层索引：通过第一级的索引块指向一组第二级的索引块，第二级索引块再指向文件块
        • 混合索引：系统既采用直接地址，又采用单级索引分配或两级索引分配方式

        

      图源：一口气搞懂「文件系统」，就靠这 25 张图了 - 知乎

  • 文件存储空间管理【空闲块】

    • 空闲表法

      • 描述：属于连续分配方式，为每个文件分配一块连续的存储空间
      • 分配：首次适应算法、最佳适应算法等

        

      图源：4.1.5 OS之文件管理空闲磁盘块的几种算法-CSDN博客

    • 空闲链表法

      • 空闲盘块链
        • 描述：将磁盘上的所有空闲空间以盘块为单位拉成一条链
        • 特点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但是需要重复多次，效率较低
      • 空闲盘区链
        • 描述：将磁盘上的所有空闲盘区【每个盘区可能包含若干盘块】拉成一条链
        • 特点：分配和回收的过程比较复杂，但效率通常较高，且空闲盘区链较短 

      

      图源：4.1.5 OS之文件管理空闲磁盘块的几种算法-CSDN博客

    • 位示图法

      • 描述：利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况【1bit 管理 1个盘块】，是最省空间的管理方法
      • 备注：若题意无特殊说明，位示图法中的行和列都从1开始编号

       

      

       

      图源：操作系统总结之磁盘管理-CSDN博客

    • 成组链接法

      • 描述：把顺序的n个空闲盘块号保存在第一个成组链块中，其最后一个空闲盘块则用于保存另一组空闲盘块号

        

      图源：操作系统原理之成组链接法_成组链接法基本原理-CSDN博客

    • 备注：文件分配表FAT 可以记录各个块的先后链接关系，也可以标记空闲的磁盘块

• 目录

  • 基本概念：文件控制块FCB的有序集合称为文件目录，一个文件FCB就是一个文件目录项
  • 基本要求

    • 单用户：在用户所需要的文件名和文件之间提供一种映射，时间“按名存取”
    • 多用户：允许多个用户共享一个文件

  • 目录结构

    • 单级目录结构
      • 描述：整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项
      • 特点：实现了案名存取，但存在查找速度慢、文件不允许重名、不便于文件共享等缺点，不适合多用户的操作系统
    • 两级目录结构
      • 描述：将文件目录分成主文件目录和用户文件目录
      • 特点：提高了检索速度，解决了多用户之间的文件重名文集，但是两级目录缺乏灵活性，不能对文件分类
    • 树形目录结构
      • 描述：两级目录加以推广
      • 特点：方便分类、层次清晰，主流操作系统采用的分配方式
    • 无环图目录结构
      • 描述：在树形目录结构的基础上增加了一些指向统一结点的有向边
      • 特点：便于文件共享，但是系统管理变得复杂

      

    图源：Linux树状目录结构简介

  • 目录操作

    • 搜索
    • 创建文件、删除文件
    • 创建目录、删除目录、移动目录、显示目录、修改目录

  • 目录实现

    • 线性列表 | 线性查找：实现简单，从当前目录查找，只要路径的一个分量名未找到，就停止查找；查找的结果是目录项
    • 哈希表 | 散列查找：查找迅速，插入与删除简单，但需要措施避免冲突

  • 文件共享

    • 基于索引结点的共享方式【硬链接】
      • 前置：链接共享同一个内存索引结点，文件描述符分别指向各自的用户打开文件表的一项
      • 链接：链接计数count，用于表示链接到内存索引的节点（即文件）上的用户目录项的个数
      • 删除：当count=0时，表示没有用户使用该文件，才会删除该文件
    • 利用符号链实现文件共享【软链接】
      • 前置：系统创建一个LINK类型的新文件【记录文件路径】
      • 链接：只有文件主才拥有指向其索引链接的指针
      • 删除：当文件主把一个共享文件删除后，Link链接依然可以存在，但访问文件会失败

      

    图源：linux文件系统（四）——软连接与硬连接-CSDN博客

• 文件系统

  • 文件系统结构

    • 用户/应用程序
    • 用户接口
    • 用户存取控制模块
    • 逻辑文件系统与文件信息缓冲区
    • 物理文件系统
      • 辅助分配模块
      • 设备管理模块
        •  设备

      

    图源：4.3_1_文件系统的层次结构_哔哩哔哩_bilibili

  • 文件系统布局
    • 在磁盘中的结构

      • 主引导记录MBR：位于磁盘的0号扇区，用来引导计算机
      • 分区表：每个分区的起始和结束地址
      • 分区
        • 活动分区
          • 引导块：MBR执行引导块中的程序后，该程序负责启动该分区中的操作系统
          • 超级块：包含文件系统的所有关键信息，其典型信息包括分区的块的数量、块的大小、空闲块的数量和指针，空闲的FCB数量和FCB指针等
          • 空闲空间管理：文件中空闲块的信息，可以使用位示图或指针链接的形式给出
          • i 结点：每个文件对应1个i 结点，说明了文件的方方面面
          • 根目录：存放文件系统树的根部
          • 文件和目录
        • 其它分区
      • 备注：这个仅仅是unix系统的分区，可能会在磁盘管理也提到~
      • 计组+系统02：30min导图复习 存储系统_梅头脑_的博客-CSDN博客

        

      图源：4.3_2_文件系统的全局结构（布局）_哔哩哔哩_bilibili

    • 在内存中的结构

      • 安装表：包含每个已安装文件系统的有关信息
      • 目录结构的缓存：最近访问目录的信息；对安装分区的目录，它可以包括一个指向分区表的指针
      • 整个系统的打开文件表：包含打开文件的FCB副本及其他信息
      • 每个进程的打开文件表：包含一个指向整个系统的打开文件表中的适当条目的指针，以及其它信息

  • 虚拟文件系统

    • 用途：为用户程序提供了文件系统的统一接口，屏蔽了不同文件系统的差异和操作细节

      

    图源：Linux虚拟文件系统（VFS） (baidu.com)

• 计算

  • 混合索引分配

    • 最大索引表项大小 = log 磁盘地址数 bit= log (系统空间的最大容量 / 磁盘块大小) bit
    • 最大索引表项数目 = 索引表区大小 / 索引表项大小
    • 单个文件最大长度1【地址空间】 = （直接索引地址+一级间接地址索引x单张页表地址项数+二级间接地址索引x单张页表地址项数）x 磁盘块大小
    • 单个文件最大长度2【地址标识】 = 磁盘地址数 x 磁盘块大小 = 2^（磁盘地址大小x8 bit） x 磁盘块大小

  • 读页访盘次数

    • 根目录调入内存，至少0次【假设根目录常驻内存】
    • 路径的每个文件夹调入内存，每个文件至少1次【目标文件位于文件夹的第1个物理块】
    • 文件存储结构
      • 索引
        • 目标文件控制块FCB调入内存，1次
        • 文件FCB查找调入索引表地址，直接地址0次，间接地址根据索引表的存储结构不同次数不同，至少1次
        • 页面调入内存，1次
      • 链式：访盘次数 = 文件记录 / 单个物理块包含的记录，至少1次，即所查询物理块在文件记录首页
      • 顺序：访盘次数 = 1次，按照起始地址与偏移量可直接推算

  • 减少访盘次数

    • FCB分解法描述
      • 描述：分解为文件名+inode指针【UNIX系统】，减少每个目录项的大小
      • 适用：但读入inode也需要一次磁盘I/O，因此每级适合目录较多的情况
    • 设置“当前目录”

---

结语

‍️博文到此结束，写得模糊或者有误之处，欢迎小伙伴留言讨论与批评，督促博主优化内容~

博文若有帮助，欢迎小伙伴动动可爱的小手默默给个赞支持一下，博主肝文的动力++~

博主可能会佛系更新思维导图，在这里：

计算机组成原理_梅头脑_的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_42789937/category_12434026.html?spm=1001.2014.3001.5482操作系统_梅头脑_的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_42789937/category_12434025.html博主也有整理数据结构学习笔记，在这里：

数据结构_梅头脑_的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_42789937/category_12262100.html?spm=1001.2014.3001.5482