《计算机操作系统原理－Linux实例分析》课件第5章.ppt

1、第章 文 件 管 理第5章 文 件 管 理5.1 文件与文件系统文件与文件系统 5.2 文件的组织结构文件的组织结构5.3 文件的存取方法文件的存取方法5.4 文件目录管理文件目录管理5.5 文件存储空间的管理文件存储空间的管理 5.6 文件的共享与保护文件的共享与保护5.7 文件操作文件操作5.8 Linux文件系统文件系统 习题五习题五第章 文 件 管 理5.1 文件与文件系统文件与文件系统文件是计算机系统的软件资源，操作系统本身和大量用户的程序、数据等都是以文件的形式组织和存放的，对这些资源的有效管理和充分利用是操作系统的重要任务之一。文件中的信息根据用途有不同的存在形态和不同的组织方式

2、。本节介绍文件和文件系统的概念，并对操作系统的文件管理功能给予简要说明。第章 文 件 管 理5.1.1 文件文件在计算机系统中，文件保存在外部存储器上。从文件存在的形态上看，一个文件由两个基本部分组成：数据和存储介质。数据是文件的本体，它以计算机可以识别和处理的形式存在，其内容可能是各种不同的信息，如ASC代码构成的源程序、二进制的数据或程序、一个表格、一篇文章等。文件是计算机系统的重要资源，必须对它们进行妥善的存放和管理。存储介质是文件的存放载体，一般称为文件存储设备，它们属于外部存储器，如磁盘、磁带、光盘等。对文件的信息进行处理和加工时，文件必须在内存储器中。由于内存的容量十分有限，不可能

3、把大量的文件长期存放在内存中。第章 文 件 管 理此外，内存储器属于挥发性存储器件，它不可能对文件进行长期的保存。因此，大量的文件是保存在容量很大的外存储器中。当文件需要进行处理时再把它们调进内存，处理完毕仍放回外存。为了便于对文件的识别，每个文件都有一个符号名字，称为文件名。文件名一般是以字母字符开头，后续字母、数字等其他字符构成的字符串。文件名的长度因操作系统而异。第章 文 件 管 理因此，可以把文件定义为被命名的数据的集合体，或具有名字的信息序列。例如，已经命名的源程序、目标程序、数据集合、人事档案表、设备表，以及文件目录和系统程序等，给予命名后也均可作为文件。文件存放在外存，有自己的属

4、性，即类型、长度、物理位置、存取控制、建立日期等。5.1.2 文件的分类文件的分类在计算机系统中存放着大量的文件，它们有着不同的内容、用途和形式。为了便于对文件进行管理和加工，通常把众多的文件从不同的角度进行分类。下面介绍几种经常使用的文件分类方法。第章 文 件 管 理按文件的创建角度，文件分为：(1)系统文件，即由操作系统创建的文件。这些文件包含着操作系统执行的程序和处理的数据。系统文件仅供系统使用，不对用户开放。(2)用户文件，即由用户创建的文件。这些文件包含的是用户的信息，如用户的程序、数据和其他各种形式的信息。用户文件的使用权归文件的建立者。(3)库文件，即由系统创建的供系统和用户使用

5、的文件，它们是一些由标准函数或子程序及常用的应用程序组成的文件。库文件允许用户调用，但是不允许用户修改。在某些系统中，允许用户通过系统向库文件中添加信息。第章 文 件 管 理按文件的存取权限，文件分为：(1)只读文件，指只允许对文件进行读操作，而不允许写操作的文件。(2)读写文件，指既可以进行读操作，又可以写操作的文件。(3)可执行文件，指只可调入到内存中执行，而不能对它们进行读写操作的文件。(4)不保护文件，这种文件不作任何保护，所有用户都可以使用。第章 文 件 管 理按文件在系统中的信息流向，文件分为：(1)输入文件，这种文件只能从输入设备中读入到内存，如读卡机、纸带输入机上的文件。(2)

6、输出文件，这种文件只能从系统写入到输出设备中，如打印机、穿孔机上的文件。(3)输入/输出文件，这种文件既可以从输入设备中读取，又可以向输出设备写入，如磁盘、磁鼓、磁带上的文件。第章 文 件 管 理按文件内容的信息类型，文件分为：(1)文本文件，即由字符代码组成的文件。文本文件可以直接显示在屏幕上，或在打印机上打印，也可以使用编辑器进行编辑。(2)二进制文件，即由二进制数据组成的文件，如可执行程序、图像文件、声音文件等。二进制文件不能直接显示和打印，也不能使用编辑器进行编辑。第章 文 件 管 理此外，按照文件的性质，文件分为普通文件、目录文件和设备文件。按照文件的存储介质，文件分为磁盘文件、磁带

7、文件、光盘文件等。按照文件的物理结构，文件分为连续文件、顺序文件、索引文件等。按照文件的保存时间，文件分为永久文件和临时文件。第章 文 件 管 理5.1.3 文件系统及其功能文件系统及其功能1文件系统文件系统在计算机系统的外存上，存放着大量的各种不同类型文件，如果由用户直接管理和存取外存中的文件，就要求用户十分熟悉外存的物理特性，这对用户来说无疑是一个沉重的负担，也给系统带来了不安全因素。计算机操作系统作为重要的系统软件，被用户最直接可见的部分就是它的文件管理。因为用户使用计算机遇到的首要问题是如何保存程序和数据，然后如何查找、复制、删改它们。文件管理就是为了解决用户的这些问题而设置的，它是操

8、作系统的重要组成部分。第章 文 件 管 理因此，操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构叫做文件管理，也称文件系统。2文件系统的功能文件系统的功能文件系统是操作系统的重要组成部分，它为系统本身及计算机用户在管理和使用文件上提供了极大方便。对用户而言，文件系统允许用户按自己的需要，在文件系统的规则下来定义文件结构和使用文件。对系统而言，文件系统将用户的要求转换成对文件的管理和控制操作。文件系统的功能主要体现在以下四个方面。第章 文 件 管 理(1)文件组织。文件组织提供了文件信息的组织结构。它面向用户和系统提供了不同的组织结构。面向用户，它提供了用户组织文件信息的结构方式，称为文件的逻辑结构。

9、用户按照系统提供的文件逻辑结构组织自己的文件信息，例如，用户可以按照流式文件的逻辑结构把文件信息看做是一个有序的数据流，也可以按照记录式文件的逻辑结构把信息组织成记录，以记录为单位管理文件的信息。面向系统，根据存储设备的特点把文件信息按照一定的组织结构存放在外存空间，这种组织结构称为文件的物理组织。按照不同的物理组织方式形成了不同物理结构的文件，如连续文件、链接文件和索引文件。第章 文 件 管 理文件组织还包括文件的目录组织结构。文件目录是文件由逻辑结构向物理结构转换的桥梁。系统通过文件目录来确定用户所指定的文件在外存的物理位置和文件的属性等。(2)文件存储空间的管理。由文件系统对文件存储空间

10、进行统一管理，包括对文件存储空间使用情况的记载，实施存储空间的分配与回收，并为文件的信息与存放的物理位置建立映射关系，在存取文件时有效地确定文件的存放位置。第章 文 件 管 理(3)文件共享与保护。有合作关系的用户之间渴望共享彼此的文件，即使无合作关系的用户之间，也允许它们共享某些系统的信息资源。比如多个用户可以同时使用系统提供的共享程序库，几个协同工作的用户可以共享某些程序文件或数据文件。文件系统的一个重要任务就是为用户提供共享文件的手段，通过文件共享，不仅避免了系统复制文件的开销，而且节省了文件占用的存储空间。但共享与系统安全性之间有时会产生矛盾，文件系统要控制用户对共享文件的使用，包括不

11、同用户对共享文件的访问权限和操作限制，记录共享某个文件的用户进程数目等。第章 文 件 管 理为了实现文件的保护和共享，文件系统必须提供安全可靠的保护与保密措施，以防止文件信息被有意或无意地破坏或偷窃。因此，需要对用户访问文件进行有效的控制，杜绝用户之间对文件的非法交叉访问。从逻辑控制上，文件系统提供了对文件的访问权限。用户或用户组必须按照访问权限使用文件。在物理控制上，系统设置了文件的保护级别和访问文件时的检查保护机制。面对用户的文件操作请求，系统要根据访问权限和保护级别检查访问是否合法，对于非法访问予以拒绝。第章 文 件 管 理(4)提供方便的接口。文件管理主要向用户提供简便、统一的使用文件

12、的界面。用户使用界面中的命令，按照文件的逻辑结构，直观、透明地对文件实施操作。所谓透明，是指用户不必了解文件存放的物理结构、查找方法、I/O实现细节等与存储介质有关的特性，用户只要给出文件名和要对文件执行的操作，就可以对文件“按名存取”，完成对文件的有关操作。特别是当文件的物理位置发生了改变，甚至更换了存储设备，对用户使用文件都不会产生任何影响。第章 文 件 管 理一般来说，文件系统的用户界面有两种：一种是由用户通过命令来操作和管理文件，称为文件操作的命令界面；另一种是在程序设计中使用操作系统提供的系统调用来使用文件，称为文件操作的程序界面，这同操作系统与用户的界面基本一致。在用户使用文件时，

13、由文件系统使用特定的数据结构和有效的算法，实现文件逻辑结构到物理结构的转换，把用户对文件的使用请求转换成对外存中物理文件的操作。第章 文 件 管 理5.2 文件的组织结构文件的组织结构在操作系统中，用户最直接可见、打交道最频繁的就是文件系统。文件系统既要面向用户的文件使用请求，又要面向系统有效地管理文件。因此，文件系统提供了两种文件的组织结构，即面向用户的逻辑结构和面向系统的物理结构，对文件的存取与文件的组织有着密切的关系。5.2.1 文件的逻辑结构文件的逻辑结构文件的逻辑结构是指根据用户自身处理文件中数据的要求，从用户的观点来看待文件的组织形式。这种组织形式是用户可以直接处理的数据结构。第章

14、 文 件 管 理用户在组织文件信息时，往往根据使用信息的习惯把信息组织成文件。从用户观点组织信息形成的文件是一个抽象概念的文件，它们的组织结构与存储介质的构造无关，所以也称逻辑文件。操作系统一般要面向用户提供多种文件的逻辑结构，其主要目的是为用户使用文件提供便利。用户在存储、使用和处理文件时只需按照逻辑结构进行，不必顾及文件在存储介质上是如何组织与存放的，在检索和读写文件时也不必考虑文件操作的细节。第章 文 件 管 理文件系统根据用户的需要通常提供两种文件的逻辑结构，按照它们的组织形态分别称为记录式文件和流式文件。文件系统向用户提供逻辑文件结构的组织规则，用户按照规则把信息组织成逻辑文件并提交

15、给系统，系统就可以根据用户的要求对文件进行各种操作。1记录式文件记录式文件记录式文件是指逻辑上可被看成一组连续顺序的记录的集合。每个记录是一个有一定意义的信息集合，称为逻辑记录。逻辑记录在文件中只有顺序的关系，记录按先后顺序编号为记录l，记录2，记录n，其序号称为逻辑记录号。第章 文 件 管 理例如，在学生管理文件中，每个学生的学号、姓名、性别、年龄、班级和住址等数据组成一个逻辑记录，由若干学生的逻辑记录组成文件。从操作系统的观点来看，逻辑记录是记录式文件的基本信息单位，它是检索、存储和传输文件的基本对象。但从用户的角度看，逻辑记录还可进一步分成若干个称为数据项更小的单位。例如，在学生管理文件

16、中，学生的学号、姓名、性别、年龄、班级和住址等就是数据项。所以，逻辑记录可以看做是数据项的有序集合，一个逻辑记录中所有数据项长度的总和称为逻辑记录的长度。在记录式文件中，按其记录长度是否相同分为定长记录文件和变长记录文件。第章 文 件 管 理定长记录文件是指文件中的所有逻辑记录的长度都相等，并且每个记录中的数据项的长度和相对位置都是固定的。变长记录是指在一个记录式文件中各逻辑记录的长度不一定相等，但是每个逻辑记录的长度在处理之前能预先确定。当文件记录中包含的数据项的长度是可变的，或者包含的数据项长度固定但数目是可变的，就形成变长记录文件。第章 文 件 管 理2流式文件流式文件流式文件又称为无结

17、构文件。这种文件在逻辑上看做是一系列有意义的字符或字节按照一定顺序的集合。在流式文件中，字符或字节是构造文件的基本元素，它们不再组成任何其他结构。流式文件一般按字节位置来定位，按字节长度进行存取。第章 文 件 管 理某些文件本身就是一个整体，它们不能再进行划分，只能以字节或字符作为基本单位。例如，源程序文件、文本文件、可执行文件、库函数等都是由一系列字符组成的，目标文件、可执行文件、图像文件、声音文件等都是由以字节为单位的二进制数据组成的，它们都是流式文件。在流式文件中，通常插入一些特殊字符作为信息间的分隔符。例如，源程序文件是顺序的字符流，并以回车符作为程序行的结束标志。第章 文 件 管 理

18、5.2.2 文件的物理结构文件的物理结构文件的物理结构是指文件在外存空间存放时的组织结构，即文件在外存的存放方式。按照一定物理结构存放在外存的文件称为物理文件，它可以看做是相关物理块的集合。文件的物理结构一般是由存储设备的类型和存储介质的特性决定的。系统按照文件的物理结构与文件存储设备打交道。所以，文件的物理结构对文件的存取方法有直接的影响。另外，文件的物理结构对用户是透明的。第章 文 件 管 理由于文件系统中文件的数量很多，它们一般使用很大的存储空间。为了有效地管理物理文件，通常把存放物理文件的存储介质分成两级进行管理。首先把存储介质的庞大存储空间划分成若干物理卷，简称卷；然后再把物理卷划分

19、成大小相同的物理块。例如，以磁盘作为文件存储介质时，每个磁盘分区就是一个物理卷，分区中的每个扇区是一个物理块。第章 文 件 管 理在存储介质上，物理块是物理文件的基本管理单位。存储空间以物理块为单位进行分配，文件的信息也是以物理块为单位在外存与内存之间进行传输的。例如，磁盘一般以512B或1024B作为一个物理块，磁带以1024B或2048B作为一个物理块。当文件存储在块设备上时，按照文件占用物理块的状况，文件本身也被划分成与物理块大小相等的逻辑块，每个逻辑块占用一个物理块。文件在存储时总是占用整块数的物理块，如每个物理块是512B，一个文件的长度是1025B，它要占用3个物理块，对本身文件来

20、说，它有3个逻辑块。由于逻辑块是对文件的依次分割，因此一个文件的逻辑块总是连续的。第章 文 件 管 理但是，根据文件使用的物理结构不同，文件的物理块可以是连续的，也可以是不连续的。通常，把物理块中存放的信息称为物理记录。所以，物理文件可以看做是相关物理记录的集合。物理记录与记录式文件的逻辑记录的含义完全不同，物理记录仅是进行存储分配和信息传输的单位，它不能表示信息本身包含的意义。由于各种文件的逻辑记录长度是不同的，而物理块的大小在某种设备上是相同的，因此，逻辑记录的大小与物理记录的大小之间不存在固定的对应关系。有时一个物理块可以存放几个逻辑记录，而有时一个逻辑记录要占用几个物理块。第章 文 件

21、 管 理文件在外存上有多种组织形式，常用的有连续结构(顺序结构)、链接结构及索引结构。1连续结构连续结构连续结构是计算机最早使用的，也是一种最简单的物理文件结构。其特点是文件中的信息连续地依次存放在存储设备上若干个相邻的物理块中。由于这种文件的组织结构采用的是连续存储分配，因此称为连续结构。连续结构在外存占用的物理块数和首块的块号一般记录在文件目录中。在这种结构中，文件的物理顺序与逻辑顺序是一致的。第章 文 件 管 理例如，一个文件A，其长度为2000B，存放在磁盘上，若磁盘物理块的大小为512B，则文件A需占用4个物理块，它们分别被分配到10、11、12和13四个相邻的物理块中，其中第13块

22、中实际使用了444B，如图5.1所示。第章 文 件 管 理图5.1 连续结构第章 文 件 管 理连续结构的文件，对于文件在外存的查找定位非常简单。逻辑地址到物理地址的变换步骤如下：由逻辑地址求得相对物理块号；绝对物理块号文件首块相对物理块号；求出逻辑记录在绝对物理块内的相对地址；逻辑记录在外存的物理地址绝对物理块首址块内相对地址。连续结构的主要优点是：组织方法简单，存取速度快，所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少，只要知道了文件存储的起始块号和文件长度就能快速进行存取。第章 文 件 管 理连续结构的主要缺点是：(1)要求建立文件时就确定它的长度，依此来分配相应的存储空间，这往往很难实现。(2)它不

23、便于文件的动态扩充。在实际计算时，作为输出结果的文件往往随执行过程而不断增加新内容。当该文件需要扩大空间而其后的存储单元已被别的文件占用时，就必须另外寻找一个足够大的空间，把原空间中的内容和新加入的内容复制进去，这种文件的“大搬家”是很费时的。(3)造成存储空间的浪费。因为文件的长度不会正好等于连续空闲块区域的长度，文件存放后可能出现不能再利用的空闲块。第章 文 件 管 理2链接结构链接结构链接结构又称为串联结构。这种结构的文件，它占用的存储空间可以是不连续的，即连续的逻辑块可以占用不连续的物理块。为了保持文件逻辑上的联系，系统在每个物理块中设置了一个链接指针，指向文件的下一个物理块，最后一块

24、的链接指针为空。这样就把文件的若干个物理块用链表结构组织起来。指向链表中第一个物理块的指针一般存放在文件目录中。当访问文件时，从第一个物理块开始，顺着链接指针就能依次找到在逻辑上连续的下一个物理块。第章 文 件 管 理图5.2给出了链接结构的示意图，其中文件A的数据占用块号为20、35、22和41。它的第一个物理块号由文件目录表中说明，最后一个物理块的链接指针为null，表示是该文件的末尾块。第章 文 件 管 理图5.2 链接结构 第章 文 件 管 理链接结构的优点是：(1)不需要连续存放在外存的物理块中。(2)适应文件长度的动态变化。由于文件具有链接结构，因此可以采用动态存储分配的方法为文件

25、分配存储空间。这样就不需要预先知道文件的大小，增加或减少或插入物理块相当方便，只需修改插入处和删除处的链接指针即可。第章 文 件 管 理链接结构的缺点是：(1)查找链表的时间开销较大，特别当链表很长时。只适合于按照文件的逻辑顺序进行存取的方法。若随机存取某一块的数据时，存取速度比较慢。因为要读写某一块上的数据，只能从头开始依次读出前面所有物理块，顺着链接指针才能找到所需要的块。(2)每个物理块增加了一个链接指针，占用了一部分空间。读出信息时要把指针信息分离出来，还要防止指针丢失或破坏造成的混乱，为信息管理添加了麻烦。第章 文 件 管 理3索引结构索引结构索引结构也是一种非连续存储的结构，它是将

26、文件信息按物理块大小划分为若干个逻辑块，文件连续的逻辑块可以存放于不连续的物理块中。文件系统为每个文件建立一张索引表，每个表目指出逻辑记录号与物理块号的对应关系。索引表即为文件逻辑块与物理块的映射表。索引表的指针一般存放在文件目录中。索引表本身与文件同时存放在存储介质的指定区域。图5.3给出了这种结构的示意图。第章 文 件 管 理图5.3 索引结构第章 文 件 管 理索引结构是对链接结构的进一步改进，它除了具备链接文件的优点外，还克服了只能顺序存取的缺点。索引结构既适合顺序存取记录，也可以方便地随机存取记录，并且容易实现记录的增删和插入，所以索引结构被广泛应用。索引结构的缺点是由于需要索引表而

27、增加了存储空间的开销。另外，在存取文件时需要两次访问存储设备，第一次访问索引表，通过索引表得到要存取的物理块号，第二次访问该物理块存取数据，因此降低了文件存取速度。改进的办法是在文件存取之前，预先把索引表装入内存中，这样文件的存取可以直接在内存通过索引表确定物理块号，访问存储设备的操作只需要一次。第章 文 件 管 理在文件很长的情况下，相应的索引表也很长，查找索引表将花费较多的时间，因此增加了系统的开销。为解决这个问题可以采用多重索引方式，如图5.4所示。在多重索引中设置一张主索引表，它指出各级次索引表的位置，次索引表指出文件各个物理块的位置。索引结构一般也存放在磁盘上。UNINX和Linux

28、操作系统在磁盘上采用的就是改进的索引结构。第章 文 件 管 理图5.4 多重索引结构第章 文 件 管 理5.2.3 记录的成组与分解记录的成组与分解由于磁盘块的大小是预先划分好的，大小固定，而逻辑记录的大小是用户文件的性质决定的，不一定和块大小一致，如果逻辑记录比物理块小得多，则可以把多个逻辑记录存放在一个块中，这就是记录的成组。用户使用时再在读取的一块信息中分离出所需的记录，这就是记录的分解。第章 文 件 管 理1记录的成组记录的成组将若干个逻辑记录合并成组写入1个物理块的操作叫记录的成组。每块中逻辑记录的个数称“块因子”。利用主存缓冲区可以把多个逻辑记录一次性保存到磁盘块上。也就是，当记录

29、要求存盘时，先存入主存缓冲区，缓冲区的大小等于最大逻辑长度乘以成组的块因子，就是块的大小。在缓冲区未存满时，不启动磁盘写，这样就提高了存储空间的利用率，减少启动外设的次数，提高了系统的工作效率。第章 文 件 管 理2记录的分解记录的分解当1个物理块读出存入缓冲区后，把逻辑记录从块中分离出来的操作称为记录的分解。这是记录成组的一个逆过程，先从磁盘中找到记录所在的块，并将本块读入主存缓冲区，再从缓冲区取出所需要的记录送到用户工作区。如果用户所需的记录已经在缓冲区中，则不需要启动外设读块信息，这也可以提高系统工作效率。第章 文 件 管 理5.3 文件的存取方法文件的存取方法计算机的存储设备上存放有大

30、量的文件，用户经常需要读写文件，文件系统就要从存储介质上取出文件信息存入到内存中或将内存中的信息写入到存储介质上。那么，按照什么方式完成信息的存取呢？计算机系统提供了不同的存取方法，而文件的存取方法是由文件的性质和用户使用文件的情况来决定的。根据存取的次序来划分，通常可分为两大类：顺序存取和随机存取。第章 文 件 管 理5.3.1 顺序存取顺序存取顺序存取是按照字符流或记录排列的次序进行存取。在记录式文件中，顺序存取就是按逻辑记录的排列顺序依次存取每个记录，下次要存取的记录和当前存取的记录之间有严格的顺序关系。例如，当前存取的记录为R，则下次要存取的记录自动确定为R+l。通常，在文件说明中设置

31、一个文件读写位置指针指向文件中下一个要读写的位置。对于定长记录文件，由于其记录长度相同，根据记录号就可以确定位置指针的值。而变长记录文件的记录长度不同，在每次存取一个记录后，位置指针要加上本次存取记录的长度。第章 文 件 管 理在无结构的流式文件中，顺序存取是按照文件中字符的排列顺序依次存取指定字节长度的信息。用于流式文件的读写位置指针以字符或字节为单位进行计数，每存取一段信息，位置指针自动加上本次存取的字节长度。5.3.2 随机存取随机存取随机存取是可以从任意指定的位置开始存取文件的信息。在记录式文件中，允许用户根据记录的编号来存取文件的任一个记录，下次要存取的记录和当前存取的记录之间不存在

32、顺序关系。在流式文件中，可以从任意指定的字节位置存取任意长度的字节信息。随机存取也是使用读写位置指针来指出存取位置的。第章 文 件 管 理文件的存取方法与文件的物理结构密切相关。连续文件采用顺序存取方法时的速度最快，链接文件也适宜顺序存取，但速度比连续文件要慢。连续文件和链接文件不适宜采用随机存取方法，若一定要随机存取，只能从文件头开始依次找到存取位置，这将花费较长的时间。具有索引结构的文件适宜采用随机存取和直接存取方法，它可以通过索引表快速地找到存取位置。当然，索引文件也可以使用顺序存取方法。第章 文 件 管 理5.4 文件目录管理文件目录管理文件系统的重要作用是为用户使用文件提供最大的便利

33、，这主要体现在用户对文件可以“按名存取”，即用户只需指出要访问的文件的名字，就可以实现对文件的存取。一个计算机系统中存放着成千上万个文件，为了便于对文件进行有效的管理和用户“按名存取”，文件系统设置了文件目录的数据结构，用以标识和管理系统中的所有文件。文件目录在文件系统中的作用类似于图书馆中的图书目录，无论是读者还是图书管理员通过图书目录就可以十分方便地找到图书。文件目录的管理除了要解决存储空间的有效利用之外，还要解决快速搜索、文件命名冲突，以及文件共享问题。第章 文 件 管 理5.4.1 文件的组成文件的组成在前面介绍进程管理时提到进程控制块和操作系统管理进程，并不关心进程的程序完成什么功能

34、，也不关心程序运行时所作用的数据对象如何。它们所关心的是进程在其生命期会向系统提出哪些资源申请，进程运行过程中的状态如何等问题。为此，操作系统为每个进程设置一个进程控制块，记载这些相关信息。所以，操作系统管理进程是通过进程控制块来实现的。第章 文 件 管 理同理，在文件系统中，要管理大量的文件。系统并不关心文件的内容是什么，是程序还是数据，是声音信息还是图像信息。文件系统只关心如何区别不同的文件、文件的大小、文件在存储介质上的存放位置、文件的属性等用于管理的相关信息。所以，从系统对文件管理的角度来看，一个文件包括两部分：文件控制块(FCB)和文件信息体。第章 文 件 管 理文件控制块往往也叫文

35、件说明，它至少包括文件名、文件信息在文件存储设备上第一个物理块的地址(物理结构是连续结构时)。另外，根据系统要求不同，它还包括关于文件逻辑结构、物理结构、存取控制和管理信息等。这里的管理信息主要指访问时间、记账信息、文件控制块组成目录文件等。文件系统利用目录文件完成按名存取和对文件信息的共享与保护。文件信息体指文件本身的信息，它就是前面讨论的记录式文件或字符流式文件。第章 文 件 管 理5.4.2 文件控制块和文件目录文件控制块和文件目录1文件控制块文件控制块(FCB)为了便于对文件进行控制和管理，文件系统为每个文件唯一地设置一个文件控制块。文件控制块是文件存在的标志。它是操作系统为管理文件而

36、设置的数据结构，存放了为管理文件所需的所有有关信息。文件控制块通常包括下列信息。(1)文件名：符号文件名，用来识别文件。(2)文件类型：指明文件的属性，是普通文件还是目录文件、特别文件，是系统文件还是用户文件等。第章 文 件 管 理(3)物理地址：用来说明文件在外存中的存放位置。(4)文件大小：当前文件的大小(以字节、字或块为单位)和允许的最大值。(5)保护信息：对文件读、写及执行等操作的控制权限标志。(6)使用计数：表示当前有多少个进程在使用(打开了)该文件。(7)时间：反映文件有关创建、最后修改、最后使用等情况，用于对文件实施保护和监控等。文件系统利用这种结构对文件实施各种管理。例如，按名

37、存取文件时，先要找到对应的控制块，验证权限。仅当存取合法时，才能取得存放文件信息的物理地址。第章 文 件 管 理2文件目录文件目录为了加快对文件的检索，往往把文件控制块集中在一起进行管理。这种文件控制块的有序集合就称为文件目录。当然，文件控制块也就是其中的目录项。由于文件目录是访问文件必须使用的机构，所以管理文件的关键是管理好文件目录。第章 文 件 管 理3目录文件目录文件为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，完全由目录项构成的文件就称为目录文件。目录文件是操作系统管理文件的重要依据，通常与文件信息一起存放在外存介质的专门区域中，并提供了一系列专门管理目录文件的命令，

38、供用户查看、建立、删除或改名。第章 文 件 管 理目录文件与一般文件具有相同的性质，它们也有文件名，文件的内容就是该目录包含的目录项。与一般文件不同的是，目录文件一般只能由操作系统存取，普通用户不能直接访问目录文件。在需要访问某个文件时，系统按照指定的路径把有关的目录文件读取到内存，从目录项中搜索所需的文件。在使用当前目录的系统中，把要访问文件的目录文件装入内存缓冲区中，并把它设置为当前目录，以备以后检索文件使用。第章 文 件 管 理文件目录具有将文件名转换成该文件在外存的物理位置的功能，即实现文件名与其存放盘块之间的映射。在访问一个文件时，首先使用文件名检索文件目录，找到该文件对应的目录项后

39、就可以直接得到文件的管理信息，系统使用这些信息实现对文件的定位，并实现从用户指定的文件名到文件的物理地址之间的转换。这是文件目录所提供的最基本的功能。在MS-DOS系统中，一个目录项有32个字节，其中包含文件名、扩展名、属性、时间、日期、首块号和文件大小。利用首块号作为查找物理块链接表的索引，按索引链向下查找，可找到该文件所有的盘块。第章 文 件 管 理5.4.3 文件目录的结构文件目录的结构1一级目录结构一级目录结构最简单的文件目录采用一级目录结构。一级目录结构就是把系统中的所有文件的目录项都建立在一张目录表中，整个目录组织是个线性表，结构比较简单。如果文件系统为存储设备的所有文件建立一张目

40、录表，每个文件在其中占有一项用来存放文件说明信息。该目录表存放在存储设备的某固定区域，在系统初启或需要时，系统将其调入内存(或部分调入内存)。文件系统通过对该表提供的信息对文件进行创建、搜索、删除等操作。第章 文 件 管 理每当创建一个新文件时就在文件目录中增加一个目录项，每当删去一个文件时，就在文件目录中删除该文件的目录项。图5.5是一级文件目录结构，其中各方框表示文件目录中的各目录项，圆圈表示由目录项描述的文件。第章 文 件 管 理图5.5 一级目录结构第章 文 件 管 理一级目录结构的唯一的优点是结构简单、便于管理。它的缺点如下：(1)当系统中文件的数量很大时，文件目录将很大。当查找一个

41、文件时，需要从整个目录表中查询，这将花费大量的时间而影响文件的访问效率。第章 文 件 管 理(2)由于文件系统是通过文件目录“按名存取”一个文件，因此在文件目录中的文件不能重名，否则系统无法判断用户指定的是哪个文件。因为一级目录结构无法解决文件命名冲突问题，所以在多用户环境下，用户在给文件命名时需要十分慎重，这将给用户造成不便。此外，当系统中的某些文件由多个用户共享使用时，不同的用户从使用文件的便利出发，可能给同一个共享文件起了不同的名字，而文件系统在使用一级目录结构时无法做到使用不同文件名来访问同一个文件。第章 文 件 管 理2二级目录结构二级目录结构为了解决一级目录中不同用户文件同名的问题

42、，文件系统为每个用户建立一个文件目录，称为用户文件目录或第二级目录，用户把自己的文件登记在用户目录中。同时，文件系统还设置了用于管理所有用户文件目录的总目录，称为主目录或第一级目录。主目录中记录着所有用户目录的名字及其物理地址。也就是说，主目录中的目录项记录的不是一个文件，而是指向一个用户目录的指针。第章 文 件 管 理例如，图5.6给出了一个有4个用户的二级目录结构，每个子目录都是一个用户目录，存放该用户使用的文件。用户与用户之间使用的文件名可以不同，也可以相同。在不同子目录下的同名文件互不影响。采用二级目录结构后，用户要求存取文件时，总是搜索该用户自己的文件目录。第章 文 件 管 理图5.

43、6 二级目录结构第章 文 件 管 理用户目录本身也必须被创建或删除，这是由专用的系统程序实现的，用户要提供相应的用户名和某些说明信息。当创建一个用户文件目录时，要在主文件目录中附加相应的一项。用户要创建新文件时，系统先找到该用户的用户文件目录，在判定该目录中没有与新建文件同名的文件的情况下，在该目录中建立一个新的目录项，并填入新文件名及有关属性信息。当用户要删除一个文件时，系统从主文件目录中找到该用户目录，再由该目录中找到指定文件的目录项，然后回收该文件占用的外存空间，清除该目录项。第章 文 件 管 理二级目录结构基本上解决了一级目录存在的问题，其优点是：不同用户可以有相同的文件名；提高了检索

44、目录的速度。这种结构能有效地将用户与用户之间隔开，还可以通过在目录项中设置密码实现文件的保护。其缺点是不利于文件的共享。第章 文 件 管 理3树形目录结构树形目录结构树形目录结构又称为多级目录结构，产生于UNIX操作系统，已被现代操作系统广泛采用，它是二级目录结构的扩充。目录与文件在一起，目录也做成文件，在多级目录结构中，每一级目录的目录项可以描述一个文件，也可以描述它的下一级子目录，从而形成一个多层次的目录结构。如同一棵倒挂树，主目录就是树根，称为根目录，每一个树结点就是一个子目录，每一个树叶表示一个文件，如图5.7所示。第章 文 件 管 理图5.7 树形目录结构第章 文 件 管 理在树形目

45、录结构中，主文件目录是树根。因此，常常把主文件目录称为根目录(root)。用户可以在根目录下建立子目录和组织文件。子目录可以是多层次的，就像树枝，文件在最末端，就像树叶。在UNIX系统和MS-DOS系统中都采用了树形目录结构。在树形目录结构中，每个文件都有一个唯一的路径名(从根目录出发到某文件的通路上所有各级子目录名和该文件名的顺序组合)，在各级子目录名和文件名之间可用“/”隔开，例如：root/programs/p/list。用户存取文件时必须给出文件所在的路径名。文件系统根据用户指定的路径名检索各级目录，从而确定文件所在的位置，对文件进行相应的操作。第章 文 件 管 理树形目录结构具有如下

46、优点：(1)解决了重名问题。树形结构允许在不同的子目录中使用相同的名字命名文件或下级子目录。这样，系统在检索时使用的路径名是不同的，故对同名文件不会引起混淆。(2)有利于文件的分类。系统或用户可以把不同类型的文件登录在不同的子目录下，并可按层次建立子树。(3)提高检索文件的速度。利用当前目录和相对路径不仅方便用户，而且系统从当前目录开始检索文件，可缩短检索路径，提高检索速度。第章 文 件 管 理(4)能进行存取权限的控制。在子目录中可规定存取权限，在检索文件时核对存取权限，避免一个用户未经授权就存取另一个用户的文件，保证了用户文件的私有性，可实现对文件的保护和保密。第章 文 件 管 理5.5

47、文件存储空间的管理文件存储空间的管理对文件存储空间的管理是文件系统的一个重要功能。当一个用户要求创建一个新文件时，系统要为用户的文件分配相应的外存空间。相应地，当用户要求删除一个旧文件时，系统就要回收该文件所占用的外存空间，供以后新建文件使用。为了能对外存空间进行有效地利用，并提高对文件的访问速率，系统必须对外存中的空闲块资源进行妥善管理。通常情况下，都是利用磁盘来存放文件。下面就基于磁盘文件讨论目前常用的磁盘空闲区管理技术，主要有空闲区表法、空闲块链接法、位示图法和成组链接法。第章 文 件 管 理5.5.1 空闲区表法空闲区表法1空闲区表空闲区表空闲区表是以一个空闲块为单位登记的。为了记载磁

48、盘上有哪些盘块当前是空闲的，文件系统需要建立一个空闲区表，所有连续的空闲块在表中占据一项，表中的每一项记载着存储空间中每一个空闲区域的起始块号和块数，如图5.8所示。空闲区表可以按照开始块号大小的顺序排列，也可按照空闲块数量的多少顺序排列。第章 文 件 管 理图5.8 空闲区表第章 文 件 管 理2空闲块的分配空闲块的分配当用户新建文件或文件追加信息时，系统必须为文件分配存储空间(即分配空闲盘块)，可以参照内存可变分区管理的方法，采用“最先适应算法”、“最佳适应算法”或“最差适应算法”从空闲区表中找出一个空闲区分配给该文件。若分配后空闲区仍有剩余，则把它们作为一个新的空闲区，修改并登记在空闲区

49、表中。若对应空闲区的大小正好与申请的大小相等，则将该项从空闲区表中删除。第章 文 件 管 理3空闲块的回收空闲块的回收当用户删除文件时，系统必须收回该文件所占用的存储空间(即文件占用的盘块)，将回收的物理块作为空闲块登记在空闲区表中，若存在相邻的空闲区，则合并在一起形成一个更大的空闲区(同内存可变分区管理方法中的内存空间回收)。第章 文 件 管 理有的操作系统把外存中的每个连续的空闲区看成是一个文件，称为空闲文件。空闲文件也登记在文件目录中，它使用的目录项称为空闲文件项。在为一个文件分配存储空间时，系统依次查找文件目录中的空闲文件项，按照上述的某一算法，选择合适的空闲区分配给文件，然后把空闲文

50、件项作为该文件的目录项使用。若分配后仍有多余的空闲区，则把它作为一个新的空闲文件登记在文件目录中。第章 文 件 管 理采用空闲文件项的方法把空闲区表与文件目录合二为一，为文件的分配和管理提供了方便。但它存在着明显的缺点，由于文件目录中空闲文件项和真正的文件目录项混杂在一起，因此无论是查找文件还是查找空闲区，都将造成查找速度下降。第章 文 件 管 理这种方法是把若干连续的空闲块组合在一个空闲表项中，它们可一起被分配或释放，所以特别适于存放连续结构的文件。但是，若存储空间有大量的小空闲区，则空闲表会变得很大，使检索效率大大降低。另外，如同内存的动态分区分配一样，随着文件不断地被创建和删除，将使磁盘