第六章-文件管理

第六章文件管理

一、文件管理的基本概念

1、文件

（1）定义

1）文件：是信息的一种组织形式，是存放于外存上的具有文件名的一组相关信息（记录）的集合。

2）记录：一组相关数据项的集合，用来描述数据对象某方面的属性。

记录是文件中数据处理的基本单位，是组成元素的基本元素。

3）数据项：指描述一个对象的某种属性的字符集，是数据处理的最小单位。

4）关键字：是数据项中一个项或几个项的集合，能唯一标识一个记录的数据项。

（2）访问单位：位、字节、记录

（3）组成：文件控制块（文件说明）、文件体

（4）属性：①文件类型②文件长度③文件的物理位置④文件的存取控制⑤文件的建立时间

（5）特点：①保存性②按名存取③内容是一组信息的集合

2、文件系统

（1）定义：操作系统中与管理文件有关的软件和数据，是操作系统的重要组成部分。

*文件在文件系统中是一个最大的数据单位，它描述了一个对象集。

（2）构成：①管理文件所需的数据结构②相应的管理软件③被管理的文件

（3）主要目标：提高存储空间的利用率。

（4）功能：①实现文件名到物理地址的映射（最基本）：从用户角度看即按名存取，需要建立文件目录来实现。

②实现文件和目录的管理：。

③完成文件存储空间的管理：把存储器分成若干个大小相等的物理块并以块为单位进行信息交换。

针对可改写的外存（如磁盘）进行分配和回收等。

④实现文件共享和安全措施

⑤提供有好的用户接口：命令接口和程序接口。

⑥提供文件操作：打开、关闭、读写等操作。

2、文件类型

（1）按性质和用途分类：①系统文件

②用户文件

③库文件

（2）按数据形式分类：①源文件

②目标文件

③可执行文件

（3）按存取控制属性分类：①执行文件

②只读文件

③读写文件

（4）按信息流向分类：①输入文件：卡片阅读机或键盘上的文件

②输出文件：打印机上的文件

③输入输出文件：键盘、磁带上的文件

（5）按逻辑结构分类：①有结构文件（记录式文件）

②无结构文件（流式文件）

（6）按物理结构分类：①顺序文件

②链接文件

③索引文件

（7）按文件内容分类：①普通文件

②目录文件

③特殊文件

二、文件的结构（组织形式）与存取方式

1、文件的逻辑结构（逻辑组织）

（1）定义：从用户的观点出发，所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它与存储设备特性无关。

（2）类型：

1）有结构文件（记录式文件）：由若干个相关记录所构成的文件。

例如：数据库文件

又分为：①定长记录：文件中所有记录的长度都是相同的，所有记录中的各数据项，都处在相同的位置，

具有相同的顺序和长度。

②变长记录：指文件中各记录的长度不相同。

2）无结构文件（流式文件）：直接由字符序列所构成的文件。

例如：大量的源程序、可执行文件、库函数等

访问长度以字节为单位，采用的是读写指针来指出下一个要访问的字符。

（3）优点：①提高检索效率②便于修改（增加、删除、修改）③降低文件存储费用

2、文件的物理结构（存储结构）（物理组织）

（1）定义：从系统的角度看，指文件在外存上的存储组织形式，它与存储介质的存储性能有关，而且与所采用的外存分配方式有关。

物理结构决定了文件信息在存储设备上的存储位置，从而也决定了逻辑地址到物理地址的变换。（2）物理块：物理结构划分成大小相等的物理块，物理块是分配和传输的基本单位，大小与设备有关，与逻辑记录的大小无关。一个物理块可存放若干个逻辑记录，一个逻辑记录也可以存放在若干物理块中。

记录的成组：把若干条逻辑记录合并成一组存入一个物理块的过程。

记录的分解：从一条物理记录中把逻辑记录分离出来的过程。

（2）类型

1）顺序结构（连续结构）------构成顺序文件、顺序分配

定义：将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中。

优点：①存取速度快：在所有文件中存取效率最高，的适合于对大批量记录的存取操作。

②随机访问：当文件是定长记录文件时可根据文件起始地址及记录长度进行。

缺点：①要求连续的存储空间，会产生碎片：压缩存储浪费时间。

②不利于文件的插入和删除：在交互场合，查找或修改单个记录，效率低。

③不利于文件的动态扩充：预留空间浪费。

应用：存放系统文件

2）链接结构（串联结构）------构成链接文件、链接分配

定义：将一个逻辑文件的信息存放在外存的若干的物理块中，这些物理块可以不连续。还在每个物理块中设置一个指针，指向下一个物理块的位置，使得存放同一个文件的物理块链接起来。

优点：①解决了外存的碎片问题，提高了外存空间的利用率

②便于文件的动态增长

缺点：①只能顺序访问，因而查找效率低

②指针信息的存放消耗一定数量的外存空间

3）索引结构------构成索引文件、索引分配

定义：将一个逻辑文件的信息存放于外存的若干物理块中，并为每个文件建立一个索引表，索引表中的每个表目存放文件信息所在的逻辑块号（记录号、关键字）和与之对应的物理块号（物理地址）。

优点：①可以进行随机访问：检索速度快，主要用于对信息处理的及时性要求较高的场合。

②易于进行文件的增删

缺点：①增加了存储空间开销：除了主文件外，还需配置一张索引表，且每个记录都有一个索引项。

②对文件系统的效率影响很大

应用：文件采用直接存取方式且文件大小不固定

*索引文件由索引区和数据区组成，索引区一般按关键字顺序存放。

*由于索引表是按记录排序的，因此索引表本身是一个定长记录的顺序文件，从而可以方便地实现顺序存取。

*不管是文件的物理结构还是逻辑结构，都会影响文件的检索速度。

3、文件的存取（访问）方式

（1）顺序存取：按照文件信息的逻辑顺序依次存取。

（2）随机存取（直接存取）：根据记录的编号来直接存取文件中的任意一个记录，或者是根据存取命令把读写指

针移到与读写信息处。

三、文件的存储设备

1、磁带

（1）方式：顺序存取设备，只有前面的物理块被存取访问过之后，才能存取后面物理块的内容。

（2）单位：卷

（3）结构：

（4）时间：与信息密度（字符数/英寸）、磁带带速（英寸/秒）成正比，块间间隙（英寸）成反比。

2、磁盘

（1）方式：直接存取设备，允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块。

（2）过程：

①移臂操作：根据柱面号控制移动磁臂做机械横向运动，带动读/写磁头到达指定柱面。

②旋转延迟：按磁头号确定确定信息所在盘面，然后等待访问的扇区旋转到读写头下。

③数据传输：有指定的磁头进行存取。

*每个物理块通过柱面号、磁头号、扇区号确定。

（2）结构：

（3）磁盘的访问时间=寻道时间+旋转延迟时间+传输时间

1）寻道时间：当前位置移动到指定磁道所经历的时间。

2）旋转延迟时间：指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。

3）传输时间：扇区上的数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。

3

4

（1）先来先服务（FCFS）：按进程请求访问磁盘的先后次序进行调度而，不考虑要访问的物理位置。

优点：合理，简单。

缺点：未对寻道进行优化。

（2）最短寻道时间优先（SSTF）：选择与当前磁头所在磁道最近的请求作为下一次访问对象。

优点：克服了FCFS磁臂移动过大的问题，寻道性能比FCFS好。

缺点：不能保证平均寻道时间最短，可能使某些请求总能不到服务，产生饥饿现象。

（3）扫描算法（SCAN）：在磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求作为下一次服务对象。

优点：较好的寻道性能，避免了饥饿现象。

缺点：不利于远离磁头一端的访问请求。

（4）循环扫描算法（CSCAN）：规定磁头单向移动。

优点：消除了对两端磁道请求的不公平。

四、文件存储空间的管理

1、空闲表法

（1）方式：属于连续分配，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。

（2）分配：系统依次扫描空闲表项，直到找到一个合适的空闲区为止。

（3）回收：系统收回该文件所占用的空间，需要扫描空闲区目录，寻找一个空表项，并将释放的空间的第一个物理块号及它所占的块数填写到这个表项中。

（4）优点：适用于连续文件，仅当文件存储空间中只有少量空闲区时效果好，若空闲区多，则空闲文件目录大，因而效率降低。

2、空闲（块）链表法

（1）方式：将磁盘上所有空闲区空间，以盘块为单位链接在一起，并设置一个头指针指向空闲块链的第一个物理块。

（2）分配：从链首开始，依次摘下适当数目的空闲盘块链给用户。

（3）回收：系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾。

（4）优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单。（分配回收不可同时进行）

缺点：但在为一个文件分配盘块时，可能要重复多次操作，使得工作效率低，系统开销增大。

（5）空闲盘区链：将磁盘上所有空闲盘区拉成一条链，在每个盘区上包含若干用于指示下一个空闲盘区的指针指明盘区大小的信息。改进块链，节省时间。

3、位示图法

（1）方式：用二进制位表示磁盘中的一个盘块的使用情况，0表示空闲，1表示已分配，以反映整个存储空间的分配情况。

（2）分配：顺序扫描位示图，找出一组值为0的二进制位，再经过简单的换锁得到相应的磁盘块地址，再将这些位置为1。

（3）回收：将位视图中相应的位清0。

（4）优点：很容易找到一个或一组相邻的空闲盘块，使得分配和回收较快。而位示图小，可以把它保存在内存中，从而节省了磁盘的启动操作。

缺点：需要进行二进制位与磁盘号的转换。

（5）应用：分页存储管理中主存空闲块的分配和回收、盘空间管理

五、文件目录管理

1、文件控制块（FCB）

（1）定义：用于描述和控制文件的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息，是文件存在的标志。

文件与FCB一一对应，一个FCB就是一个文件目录项。

（2）内容

1）基本信息类：①文件名②文件物理位置③文件逻辑结构④文件的物理结构

2）存取控制信息类：①文件主的存取权限②核准用户的存取权限③一般用户的存取权限

3）使用信息类：①文件的建立日期和时间②文件上一次修改的日期和时间③当前使用信息

2、文件目录：

（1）定义：存放文件的有关信息的一种数据结构，包含多条记录（目录项），每条记录为一个文件FCB的有关信息，是文件控制块FCB的有序集合。

（2）目录项：构成文件目录的项目，每个表项存放一个文件的有关信息。

构成：最简单的至少包括文件名和文件在磁盘上的存放地址，以实现按名存取。

较复杂的还包括文件类型、文件结构、文件长度、文件访问权限，文件建立日期和时间等。

当前目录：为了提高文件检索速度，文件系统向用户提供了一个当前正在使用的目录。

（3）目录文件：有文件目录组成的文件，用于文件系统的管理。

文件目录：记录文件的属性信息，用于单个文件的控制和管理。

（4）作用：①实现“按名存取”（文件名和物理地址之间的转换）：*文件目录管理的前提

②提高对目录的检索速度

③文件共享

④解决文件重名

*文件系统利用目录组织文件，进行文件的查找和管理。

3、结构形式

（1）一级目录结构

1）结构：整个文件系统中只有一张目录表，每个文件占一个目录项。

2）内容：文件名、文件扩展名、文件长度、文件类型、文件物理地址以及其他文件属性。还需设置状态位，

表明每个目录项是否空。

3）优点：①实现按名存取②简单，易实现

缺点：①限制了用户对文件的命名：不能重名

②查找速度慢，文件平均检索时间长

③限制了对文件的共享

（2）两级目录

1）结构：将文件目录分成主文件目录和用户文件目录两级，主文件目录表项记录用户名及相应用户目录所在的存储位置，用户文件目录表项登记该用户文件的文件控制块信息。

2）内容：用户名、指向该用户目录文件的指针。

3）优点：①查找时间降低，提高了检索目录的速度

②解决了重名问题，在不同的用户目录中，可以使用相同的文件名

③解决的文件共享问题：不同用户还可使用不同的文件名访问系统中的同一共享文件。

缺点：①增加了系统开销

②缺乏灵活性，无法反映复杂的文件结构形式

（3）多级目录结构（树型目录）

1）结构：将二级目录结构的层次关系推广。第一级目录成为根目录，非叶子结点为目录文件（子目录），也自己点为文件。

2）绝对路径（路径名）：从根目录出发所找到的通路上的所有目录名与数据文件名用分隔符链接。

相对路径：从当前目录出发。

3）优点：①层次结构清晰，便于管理和保护，有利于文件分类

②解决重名问题

③提高文件的检索速度

④能进行存取权限的控制

⑤便于实现文件共享

缺点：查找一个文件按路径名逐层检查，由于每个文件都存放在外存，多次访盘影响速度。

4）应用：广泛，windows、DOS、UNIX都采用。

六、文件共享与文件保护

1、文件共享

（1）定义：指不同的用户可以使用同一文件。

（2）作用：①节省大量的辅存空间和内存空间

②减少输入输出操作

③为用户间的合作提供便利条件

（3）解决的问题：①如何实现文件共享

②对各类需要共享文件的用户进行存取控制

（4）方法：①由系统实现对文件的共享：用户知道要共享文件的路径时，可通过提供从根目录出发的路径名来

共享访问这些文件。

②对需要共享的文件进行链接：一个目录中的表项直接指向另一个目录的表项。

2、文件保护

（1）定义：指避免文件拥有者或其他用户因有意或无意的错误操作使文件受到破坏。

（2）文件保密：指文件本身不得不被未授权用户访问。

（3）存取控制的实现

1）存取控制矩阵：二维矩阵，分别存放文件系统中的所有用户和所有文件，对应矩阵元素是用户对文件的存取控制权。

优缺点：概念上简单，但用户和文件较多时变的庞大，使系统使用该方法的时间和空间开销很大。

2）存取控制表：以文件文单位，把用户按某种关系划分为若干组，同时规定每组用户的存取权限。

所有用户组对该文件存取权限的集合构成了该文件的存取控制表。

优缺点：占用空间小，检索效率高，但对用户分组会引入额外开销。

3）用户权限表：以用户或用户组为单位，将一个用户或用户组所要存取的文件名集中存放在一个表中，每个表项指明对相应文件的存取权限，构成用户权限表。

4）口令：当用户进入系统，为建立终端进程时获得系统使用权的口令。

每个用户在创建文件时，为每一个创建的文件设置一个口令并将其置于文件说明中，使用时验证。

优缺点：简单且占用的内存单元及验证口令所费时间很少，但是保密性不强。

5）密码：用户建立的源文件在写入存储设备时，进行编码加密，二度出文件时在进行译码解密。

优缺点：保密性强，但是加密解密工作耗费处理时间，以牺牲系统开销为代价。

*系统级安全管理包括注册、登录。

*对文件的访问取决于用户对文件的访问权限及文件允许进行的操作。

3、文件的转存和恢复

（1）全量转存

（2）增量转存

七、文件的使用

1、创建文件：系统首先要为新文件分配必要的外存空间。并在文件系统的目标中，为之建立一个目录项。目录

项中应记录新文件的文件名及其在外存的地址等属性。

*用户程序通过系统调用来创建新文件，此时用户进程运行在系统态。

2、删除文件：系统应先从目录中找到要删除的文件的目录项，使之成为空闲目录项，然后回收该文件所占的存

储空间。

3、读文件：把文件中的数据从外存读入内存的用户区。应在读命令中给出文件名和存放读出内容的内存地址。

4、写文件：将信息写入文件。应在写命令中给出文件名和要写入信息内容在内存中的地址。

5、打开文件：把文件的控制信息（FCB）从辅存读到内存，将待访问的文件的目录信息读入内存活动文件表中，

建立起用户和文件的联系。

6、关闭文件：把文件当前的控制信息从内存写入到磁盘，撤销内存中有关该文件的目录信息，切断用户与该文

件的联系。

7、文件描述符

（1）打开：将相应文件FCB读入内存，并返回一个文件描述符，以后用户对文件的所有操作，都通过文件描述符直接找到内存中的FCB，然后进行操作，这样可以提高对文件的访问速度。

（2）关闭：如果文件FCB被修改，则写回磁盘，否则释放FCB和文件描述符

（3）对比利用文件描述符存于打开与直接使用文件名的

①文件名是一个字符串，操作速度慢且占空间大，文件描述符是一个整数，其处理效率高于字符串。

②文件描述符作为用户打开文件表中的入口地址直接与内存FCB建立起联系，文件名无法做到这一点。

八、文件系统模型

1、最底层：对象及其属性。

包括文件、目录、磁盘存储空间。

2、中间层：对对象操作和管理的软件集合，是文件管理系统的核心部分。

包括对文件存储空间的管理、对文件目录空间的管理、用于将文件逻辑地址转为物理地址的机制、对文件读写的管理、文件的共享和保护。

3、最高层：文件系统接口。

包括为用户提供的命令接口和程序接口。