[操作系统] 文件系统 Note

文件管理系统

文件-一组有意义的信息/数据集合

• 文件的属性
• 文件内部数据的组织形式
• 文件之间的组织形式
• OS应提供哪些功能使用文件？
• OS应该怎么将文件存放在磁盘上？

1.文件的属性有哪些？

文件名：主要为了方便用户找到文件，同一目录下不允许有重名文件 

标识符：一个系统内各文件标识符唯一，对用户来说无可读性。

类型：文件的类型。设置默认打开程序。

位置：文件存放的路径（用户）、在外存中存放的路径（大小）。

大小、创建时间、上次修改时间、文件所有者信息、保护信息……

2.文件内部数据如何组织？

• 无结构文件（文本文件）又称流式文件
• 有结构文件（数据库表）

3.文件之间应该怎样组织？

• 树状组织形式，根目录、子目录。
• 目录也是一种特殊的有结构文件。

4.操作系统应该向上提供哪些功能？

• 创建文件（create系统调用）
• 读文件（read系统调用）将数据读入内存并显示
• 写文件（write系统调用）将数据从内存写回外存
• 删除文件（delete系统调用）
• 打开文件（open系统调用）读写文件之前
• 关闭文件（close系统调用）读写文件之后

5.从上往下看，文件应如何存放在外存？

磁盘块存储、管理、分类、回收

6.其他功能

文件共享、文件保护

文件的逻辑结构

有结构文件：又称“记录式文件”，也一般来说，每条记录有一个数据项可作为关键字。能根据各记录的长度是否相等，可分为定长记录和可变长记录。

有结构文件的逻辑结构：

顺序文件：逻辑上文件中的记录一个接一个的顺序排列，在物理上顺序存储或链式存储。

• 链式存储：无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找。
• 顺序存储：可变长记录无法实现随机存储。定长记录可实现随机存取，记录长度为L，则第i个记录存放的相对位置是i*L。采用顺序结构能快速找到某关键字对应的记录。缺点：增加或删除一个记录比较困难。
  • 串结构：记录之间的顺序与关键字无关
  • 顺序结构：记录之间的顺序按关键字排列

索引文件：索引表本身是定长记录的顺序文件，可以快速找到第i个记录的项。缺点：对存储空间的利用率低。

索引顺序文件：对记录进行分组，一组记录对应一个索引表项。为了进一步提高检索效率，可以为顺序表建立多级索引表。

文件目录

文件控制块：FCB，一个文件的目录项。包含文件的基本信息文件名、物理地址、逻辑结构等。

目录操作

• 搜索
• 创建文件
• 删除文件
• 显示目录
• 修改目录

目录结构

• 单级目录结构：整个系统只有一张目录表，不允许文件重名。不适用于多用户操作系统。
• 两级目录结构：分为主文件目录和用户文件目录，允许不同用户的文件重名。可以通过目录限制访问。缺点：不能对文件进行分类。
• 多级目录结构：又称树形目录结构。访问某个文件时要用文件路径名标示文件。从根目录出发的路径称为绝对路径。每次读入目录表需要一次IO操作。从当前目录出发的路径为相对路径。缺点：不便于实现文件的共享。
• 无环图目录结构：在树形目录结构的基础上，增加一些指向同一节点的有向边，使整个目录称为有向无环图。可以用不同的文件名指向同一个文件，可以共享同一个目录。对于删除，为每个共享节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节点，用户删除时只删除该用户的FCB，并使共享计数器减1，不会直接删除节点。共享文件的数据变化所有用户都可以查看。

索引节点（FCB的改进）

简化目录表，将其他信息放置索引节点中。减少文件目录的大小，使磁盘可以存放更多的目录项。

文件的物理结构（文件分配方式）

很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相等，方便换入换出。

文件的逻辑地址可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。

连续分配

要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。目录表记录起始块号和长度。

物理块号 = 起始块号+逻辑块号 

优点：

• 连续分配支持顺序访问和直接访问（随机访问）。
• 连续分配的文件在顺序读写时速度最快。

缺点：

• 物理上采用连续分配不方便拓展文件。
• 存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片。可以用紧凑来处理碎片，但会花费大量时间。

链接分配 – 采用离散分配，为文件分配离散的磁盘块。

• 隐式连接：记录起始块号和结束块号。磁盘块中会保存指向下一块的指针。
  • 缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问。需要存放指针增加空间。
  • 优点：方便文件拓展，且利用率很高。
• 显示连接：
  • 把用于链接文件的物理块指针显式地存放在一张表中，即文件分配表FAT。一个磁盘仅设置一张FAT，开机时将FAT读入内存，并常驻内存。
  • 目录中存储记录文件的起始块。
  • 优点：逻辑块号转换为物理块号的过程不需要读磁盘操作。转换过程不访问磁盘，访问速度快。支持顺序访问，支持随机访问。
  • 缺点：文件分配表需要占用一定的存储空间。

索引分配

系统为每个文件建立一张索引表，索引表中记录文件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。

优点：支持随机访问和文件拓展。

缺点：索引表需要占用一定的存储空间。

连接方案：如果索引表太大，则用多个索引块链接起来存放。在最后一个中链接下一个索引表的块号。

多层索引：类似多级页表。