操作系统-文件管理

标签：文件 操作系统 管理 扇区 索引 磁头 磁盘 内存

4.1 初识文件

文件的属性

• 文件名：相同目录不可重名

• 标识符：各文件标识符唯一，对用户无可读性

• 类型

• 位置：存放路径，在外存中地址（对用户地址不可见）

• 保护信息：对文件进行保护的控制信息

无结构文件：由一些二进制或字符流组成，又称“流水文件”（如文本文件）

有结构文件：由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”，记录是一组相关数据项的集合，每条记录有一个数据项可作为关键字，根据各条记录的长度是否相等，又可分为定长记录和可变长记录

操作系统应该向上提供的功能

 

 

 

 

4.2 文件的逻辑结构

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

 

 

串结构：记录之间的顺序与关键字无关；通常按照记录存入的时间决定记录的顺序；

顺序结构：记录之间的顺序按关键字顺序排列；增/删比较麻烦

一般来说，考试题目中所说的顺序文件指的是物理上顺序存储的顺序文件

 

索引文件

 

 

 

索引顺序文件

 

 

查找的顺序再次降低的话可以使用多级索引顺序文件

 

4.3 文件目录

文件控制块

 

 

目录结构

多级目录结构（树形目录结构）

 

 

记录当前路径，可以从当前目录出发，节省I/O访问次数

缺点：不便于实现文件的共享

 

无环图目录结构

 

 

删除文件时，每个共享结点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该结点，只有共享计数器为0时，才删除结点

 

索引结点

 

 

使用索引结点机制可以减少存储磁盘的数量（每次磁盘I/O只读入一块），可以大大提升文件检索速度

存放在外存中的索引结点称为“磁盘索引结点”，当索引结点放入内存后称为“内存索引结点”，通常内存索引结点中需要增加一些信息，比如文件是否被修改等

 

4.4 文件的物理结构

文件块、磁盘块

磁盘中的存储单元会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”，很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同；内存与磁盘之间的数据交换都是以“块”为单位进行

同理，在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为了一个一个的文件“块”，于是文件的逻辑地址也可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式；文件块与磁盘块大小相等

 

文件分配方式

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

 

 

物理块号 = 起始块号 + 逻辑块号

优点：支持随机访问；顺序读/写时速度最快

缺点：拓展比较困难；会产生难以利用的磁盘碎片

 

隐式链接方式（默认）

 

 

缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问

优点：不会产生碎片，利用率高

 

显式链接方式

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

 

 

一个磁盘仅设置一张FAT，开机时，将FAT读入内存，并常驻内存；物理块号连续可省略

优点：可以随机访问，同时内存利用率提高

缺点：文件分配表需要占用一定的内存

 

索引分配

系统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

 

 

当文件很大，索引表太大时

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（前面的索引块存放下一个索引块的指针）

   

    

    

2. 多层索引（还可根据要求建立三层、四层索引块）

   

    

    

   K层索引结构，需要K+1读磁盘操作

3. 混合索引：既包含直接地址索引（数据块），又包含一级、二级间接索引

   

    

    

 

4.5 文件存储空间管理（空闲空间）

 

 

 

空闲表法

 

 

 

空闲链表法

 

 

空闲盘块链

• 操作系统保存着链头、链尾指针

1. 分配：若某文件申请K个盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针；

2. 回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针

• 分配多个时有可能会重复操作

空闲盘区链

• 操作系统保存着链头、链尾指针；

1. 分配：若某文件申请K个盘块，则可以采用相应的算法分配一个大小合适的空闲块，若没有合适的，可以将不同盘区的盘块分配给一个文件，注意分配后要修改相应的链指针、盘区大小等数据

2. 回收：若相邻则合并；若不相邻，作为单独的一个空闲区挂到链尾

 

位示图法

 

 

1. 分配：若文件需要K个块：顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的”0“；根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；将相应位设置为”1“

2. 回收：根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；将相应的二进制位设为”0“

 

成组链接法

前两者不适用大型文件系统；UNIX系统使用

文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为”超级块“，当系统启动时需要将超级块读入内存，并且要保证内存与外存中的”超级块“数据一致

 

 

1. 分配：

   • 需要1个空闲块

     检查第一个分组的块数是否足够，足够；分配第一个分组中的1个空闲块，并修改数据

   • 需要100个空闲块

     检查第一个分组的块数是否足够，足够；分配第一个分组中的100个空闲块，包括300号空闲块，所以需要将300号块的数据复制到超级块中

2. 回收

   • 第一组分组没满，直接将插入第一个空闲块，修改数据

   • 第一组分组满了，超级块的信息复制给回收的新块，并修改超级块的内容

     

      

      

 

4.6 文件的基本操作

创建文件

分配外村空间，创建目录项

删除文件

回收外存空间，删除目录项

打开文件

1. 从目录表中找到文件名对应的目录项，并检查该用户是否有制定的操作权限

2. 将目录项复制到内存中的打开文件表中，并将对应表目的编号（索引号、文件描述符）返回给用户，之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件

 

 

关闭文件

1. 将进程的打开文件表相应表项删除

2. 回收分配给该文件的内存空间等资源

3. 系统打开文件表的打开计数器count减1，若count = 0，则删除对应表项

读文件

指明文件表中的索引号，读入多少数据、内存中的位置

写文件

指明文件表中的索引号，写回多少数据、写回外存中的位置（写指针）

 

4.7 文件共享

基于索引结点的共享方式（硬链接）

 

 

基于符号链的共享方式（软链接）

 

 

Link 类型的文件名可以不同

当文件1删除时，通过文件2的软链接找到的路径失效

 

4.8 文件保护

口令保护

为文件设置一个“口令”，用户请求访问该文件时必须提供“口令”

优点：保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销小

缺点：口令放入内存，不安全

加密保护

使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”，才能对文件进行正确解密

加密和解密的方式相同的话，结果是相同的

优点：保密性强，不需要在系统中存储“密码”

缺点：加密/解密需要耗费一定时间

访问控制

在每个文件的FCB（或索引结点）中增加一个访问控制列表，该表中记录各个用户可以对该文件执行哪些操作

精简的访问列表：以“组”为单位，标记各“组”用户对文件执行哪些操作

 

4.9 文件系统的层级结构

 

 

文件基本操作 -> 文件目录 -> 文件保护 -> 文件逻辑结构 ->文件物理结构 ->文件存储空间管理 -> 磁盘管理

 

4.10 磁盘

4.10.1 磁盘结构

磁盘：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

 

 

 

 

在磁盘中读/写数据：需要将“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道，磁盘会转动，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读/写操作

 

盘面、柱面

 

 

可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”

1. 指定柱面

2. 激活磁头

3. 磁盘旋转读取

 

磁盘分类

活动头磁盘：磁头可以移动

固定头磁盘：磁头不可以移动，但是一个盘面有很多个磁头分别对应不同的磁道

可换盘磁盘：盘片可以更换

固定盘磁盘：盘片不可以更换

 

4.10.2 磁盘调度算法

一次磁盘读/写操作需要的时间

寻找时间Ts：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间

1. 启动磁头臂：s

2. 移动磁头：假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为m，总共需要跨越n条磁道，则寻道时间 Ts = s + m * n

延迟时间Tr：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间，设磁盘转速为r（单位：转/秒或转/分），则平均所需的延迟时间 Tr = （1/2）*（1/r ）

传输时间Tt：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设读/写的字节数为b，每个磁道上的字节数为N，则传输时间 Tt = （1/r）*（b/N）

 

各磁盘调度算法

先来先服务算法（FCFS）

根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度

 

最短寻找时间优先（SSTF）

优先处理磁道是与当前磁头最近的磁道；类似贪心算法，可以保证每次的寻道时间最短，但是不能保证总的寻道时间最短

 

 

缺点：可能产生“饥饿”现象

 

扫描算法（SCAN）

只有磁头移动到最外侧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

 

 

 

LOOK调度算法

在扫描算法的基础上（优化缺点1），如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向

 

循环扫描算法（C-SCAN）

在扫描算法的基础上（优化缺点2），返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请求

 

C-LOOK调度算法

在扫描算法的基础上（优化缺点1，2），如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向，并且返回第一个需要访问的位置

 

 

 

减少磁盘延迟时间的方法

交替编号

问题：由于磁头读入一个扇区数据后需要一段时间处理，如果逻辑上相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，可能需要很长的“延迟时间”（磁盘转多一圈）

省下多转一圈的时间

 

为什么是（柱面号，盘面号，扇区号）

 

 

 

 

 

错位命名

问题：若相邻的盘面相对位置相同处扇区编号相同，则盘面交换的时候，由于处理时间，要多转一圈

 

 

 

4.10.3 磁盘的管理

磁盘初始化

 

 

引导块

开机时需要进行一系列初始化的工作，这些初始化工作是通过执行初始化程序（自举程序）完成的；

很小的自举装入程序存放在ROM中（只读），完整的自举程序放在磁盘的启动块（即引导块/启动分区）上，启动块位于磁盘的固定位置；拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘

开机时计算机先运行“自举装入程序”，通过执行该程序找到引导块，并将完整的自举程序读入内存，完成内存。

 

坏块的管理

简单的磁盘，在逻辑格式化时，对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些扇区是坏扇区

复杂的磁盘，磁盘控制器（磁盘设备内部的一个硬件部件）会维护一个坏块链表，低级格式化时将坏块链进行初始化

扇区备用：保留一些“备用扇区”，用于替换坏块，坏块对操作系统透明

 

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