第五章 文件系统

第五章文件系统
一、文件的结构——逻辑组织和物理组织
文件的结构是指文件的组织形式。

从用户的观点所看到的文件组织形式称为文件的逻辑组织（或文件的逻辑结构）；从系统设计人员考虑的文件在存储器上的实际存放方式称为文件的物理组织（或文件的物理结构）。

1、文件的逻辑组织
文件的逻辑组织是为了方便用户使用。

一般文件的逻辑结构可以分为两种，即有结构的记录式文件和无结构的流式文件。

记录式文件由记录组成，即文件内的信息划分为若干个相关的记录，以记录为单位组织和使用信息。

记录式文件又按其各个记录的长度是否相同，分为定长记录文件和变长记录文件。

流式文件的内部不再划分记录，由一组相关信息组成有序字符流。

其长度按字节计算。

在UNIX系统中，所有的文件都看做流式文件。

用户对文件的存取方法有顺序存取和随机存取两类
*顺序存取方法
记录按某种顺序排序，并按顺序依次访问记录。

如欲存取记录R i，必须先通过记录1到i-1。

这样的记录文件称为顺序文件。

顺序文件常用于成批处理，对于查询或更新某个记录的请求处理性能不佳。

*随机存取方法（直接存取）
文件的随机存取没有访问顺序的限定，可以随意读写记录或信息块。

在这种方法中，存取时通过计算地址直接访问记录；另外还有索引文件组织方式，索引文件是对文件的记录按记录号建立索引，其本身是顺序文件，每个表项存有指向该记录在逻辑地址空间中首地址的指针。

查找记录时，先查找索引，再根据地址指针得到记录的逻辑位置。

2、文件的物理组织
文件的物理组织侧重于提高存储利用率和减少存取时间。

文件的存储设备通常划分为大小相同的物理块，物理块是分配和传输信息的基本单位。

文件的物理组织是指文件在存储设备上的存储方法。

它涉及文件分配策略和文件存储设备的组块策略，决定文件信息在存储设备上的存储位置，常用的文件分配策略有：
*连续文件
又称顺序文件，它在文件建立时预先分配一个连续的物理块集，然后，按照逻辑文件中信息的顺序，依次把信息顺序存储到物理块中。

它的存取速度较快，但不利于文件的动态扩充，还可能出现存储上的碎片。

*串连文件
这是按单个物理块逐个进行。

每个物理块中设有一个指针，指向下一个物理块的地址，这样，所有文件所占的物理块都被链接起来，形成一个链接队列。

串连文件克服了连续文件的缺点，但不利于文件的随即存取。

*索引文件
这是另一种对文件存储不连续分配的方法，系统为每个文件建立一张索引表，索引表中每一表项指出逻辑块与之对应的物理块号。

索引文件具备连续文件和串连文件的优点，不足之处是增加的索引表带来了额外的空间开销。

*多重索引文件
多重索引文件采用间接索引方式，解决了单一索引表结构空间开销大的不足，使得使用灵活方便。

UNIX采用这种文件结构。

二、文件控制块和文件目录
1、文件控制块（FCB）
文件控制块是系统在管理文件时所必需信息的数据结构，是文件存在的唯一标志。

它包括相应文件的基本属性，大致有：
基本信息：如文件名、文件类型等；
位置信息：如存储位置、文件大小等；
保护信息：如口令、所有者、访问权限等；
使用信息：如使用次数、使用时间等。

2、文件目录
文件控制块的有序集合称为文件目录，文件目录也被组织成文件，就称为目录文件。

文件目录的基本功能是实现文件名与其存放位置的映射。

对文件目录的主要操作有：查找文件、建立文件、删除文件、列目录、后备文件等。

一般目录结构形式有单级目录结构、二级目录结构、树型目录结构和非循环图目录结构。

*单级目录结构
即一级目录结构，这时文件系统的全部文件都登记在一个目录中。

其优点是简单，缺点是查找速度慢、不能重名、不利于共享。

*二级目录结构
文件系统将目录分为两级，主目录说明用户目录的属性，用户目录则反映本用户文件的属性等。

二级目录结构提高的查找速度和重名问题，但仍不利于文件共享。

*树型目录结构
即多级目录结构，这时将第一级目录作为系统目录，称为根目录。

目录树中的非叶节点指出目录文件，即子目录。

这里引出了路径的概念，注意区分绝对路径和相对路径。

树型目录结构层次和隶属关系清晰，便于实现不同级别的存取保护和文件系统的动态装卸。

缺点是只能实现用户级的临时共享。

*非循环图目录结构
这是树型目录结构的推广。

通过链接的方式，允许一个文件或目录在多个父目录中占有项目，但不构成环路。

主要优点是实现共享。

UNIX 的文件系统就是这种结构。

三、文件的分类和文件系统的功能
文件管理是操作系统中用户与外围存储设备之间的接口，是负责管理和存取文件信息的软件机构。

文件是指具有名称的一组数据的集合。

文件可以按照不同的特征进行分类。

按其用途分为系统文件、库文件、用户文件；按文件中的数据形式分为源文件、目标文件、可执行文件；按存取权限分为只读文件、读写文件、可执行文件；按保存时间分为临时文件、永久文件；按文件的内部构造和处理方式分为普通文件、目录文件、特别文件。

文件系统的主要功能为文件管理、目录管理、文件存储空间的管理、文件的共享和保护、提供方便的用户接口。

四、文件存储空间的管理
文件的存储空间管理也就是操作系统的辅存可用空间的管理。

即对空闲块的组织和管理问题。

目前常用的管理技术有：空闲空间表法、空闲块链接法、位示图法和成组链接法。

*空闲空间表法
文件系统建立空闲空间表，在文件的分配和回收时，调整空闲空间表。

此方法适合连续文件的存放，缺点是易产生存储上的碎片。

*空闲块链接法
使用链表把空闲块组织在一起，当申请者需要空闲块时，分配程序从链首开始摘取所需的空闲块。

反之，管理程序把回收的空闲块逐个的挂入链首。

缺点是效率较低，链较长。

*位示图法
使用一个向量描述整个磁盘，向量的每一位表示一个物理块的状态，如0表示空闲块，1表示该块已使用。

*成组链接法
空闲块成组链接，建立空闲块专用栈，空闲块分配时按组进行，一组的空闲块分配完了，再使用下一组；回收时次序相反，入栈一组空闲
块后，够成一组。

这种方法兼备了空闲空间表法和空闲块链接法的优点，UNIX系统使用这种空闲块管理策略。

五、文件系统的安全性
文件保护是指文件免遭由于文件主或其他用户的错误操作造成破坏；文件保密是指未经文件主授权的用户不得访问该文件。

对文件的保密是对文件的共享要求引起的。

常见的保护机制有：
*命名：文件名保密
*口令：文件带口令，口令通过才能进一步操作
*存取控制：划分用户的身份，规定不同身份用户的存取控制权限（读、写、执行）。

如UNIX系统对文件主、同组用户、其他用户的权限划分。

*密码：对文件加密
文件的后备就是把硬盘上的文件在其他外部的存储介质上做一个副本。

为了防止可能出现的软硬件故障，文件系统需要后备。

文件后备的方法有：全量转储和增量转储。

后备的种类分为定期后备和不定期后备。

文件的恢复是指利用后备文件恢复原先保存的文件或文件系统。

六、UNIX文件系统的主要操作
1、UNIX系统文件分为普通文件、目录文件和特别文件。

常用操作命令有：cat、more、head、tail、cp、mv、rm 等；
2、UNIX的文件目录采用带链接的树型结构。

常用目录命令有：mkdir、rmdir、ls、copy、cd、chmod等；
3、UNIX文件系统的结构为成组链接法，参考教材176页；
4、管道文件（pipe）是利用系统调用创建、按FIFO方式在同族进程间进行大量信息传送的文件。

七、教学要求
(1) 牢固掌握文件、文件系统、目录概念。

(2) 了解文件系统的功能。

(3) 掌握文件的逻辑组织和物理组织的概念，以及相应的组织形式。

(4) 掌握目录的基本组织方式，特别是UNIX系统的目录结构。

(5) 了解文件存储空间的管理。

(6) 理解路径名和文件链接的概念。

(7) 理解文件存取控制的作用及UNIX系统中采取的办法。

(8) 记住UNIX系统中文件的分类，对文件和目录的基本操作命令,如cat,more,ls,cp,cd,
rm。