操作系统（六）| 文件系统下文件使用共享保护

4 空闲存储空间的管理

4.1 空闲区表

4.2 空闲块链

4.3 位图

5 文件的使用

6 文件共享

6.1 普通的文件共享方法

6.1.1 按路径名访问共享文件

6.1.2 链接法

6.1.3 基本文件目录BFD

6.2 基于I节点的文件共享方法（Unix采用）

6.2.1 硬链接

6.2.3 符号链接

7 文件保护

4 空闲存储空间的管理

4.1 空闲区表

将所有空闲区记录在一个表中。适合连续文件的外存分配与回收。如今很少用

4.2 空闲块链

把所有空闲块链成一个链，适合离散分配

扩展： ①不断地适度增加块大小从最早的512B 1KB  2KB  4KB  8KB  16KB  32KB  64KB。 ②成组链接法链上每个节点记录1组空闲块。适合大型文件系统，分配、释放快，链占用空间少（除首组外均隐藏在空闲块中）。UNIX用之

成组连接法

4.3 位图

用一串二进制位反映磁盘空间的分配情况，每个物理块对应1位，已分配的物理块为1，否则为0 申请物理块时，可以在位图中查找为0的位，返回对应的物理块号归还时，将对应位设置为0 描述能力强，适合各种物理结构

5 文件的使用

为方便用户使用文件，文件系统提供对文件的各种操作，使用的形式包括系统调用或命令 ① 提供设置和修改用户对文件访问权限的操作 ② 提供建立、修改、删除目录的操作 ③ 提供文件共享、设置访问路径的操作 ④ 提供创建、打开、读、写、关闭、删除文件等操作其中，最基本的操作是：打开、关闭、读、写文件等

为什么要打开/关闭文件呢

open：把文件说明信息（FCB）装入内存，便于以后的快速访问。（1）根据指定的文件路径名，查目录，找到相应文件的目录项，检查权限；（2）将文件说明信息装入内存；（3）分配一个文件id（整数）。后面通过该id实施对该文件的操作。

close：（1）释放文件说明信息所占的内存空间；（2）把文件缓冲区中已修改的内容写回文件。很多系统限制进程打开文件的个数，用户尽可能要关闭不再使用的文件。

6 文件共享

文件共享：一个文件被多个用户或进程使用共享的目的：节省时间和存储空间，减少用户工作量进程间通过文件交换信息

6.1 普通的文件共享方法

6.1.1 按路径名访问共享文件

实现简单，不需要建立另外的目录项但路径名可能长，检索较慢

6.1.2 链接法

在相应目录项之间建立链接。即一个目录项中含有指向另一个目录项的指针。实现方法：在目录项中设置一个“链接属性”，表示目录项中的“物理地址”是指向另一目录项的指针。同时，在共享文件的目录项中包含“用户计数”。

6.1.3 基本文件目录BFD

整个文件系统有1个基本文件目录BFD：每个文件（及目录）有1个目录项，包含系统赋予的唯一标识符ID（整数）以及其他的文件说明信息每个目录有1个符号文件目录SFD：除了ID = 0，1，2外, 每个目录项仅包含文件名和ID 系统把ID = 0，1，2的目录项分别作为BFD、FFD、MFD的标识符共享方法：若一个用户想共享另一用户的文件，只需在自己的目录文件中增加一个目录项，填上自己起的文件名和该共享文件的唯一ID即可。如ID = 6的文件。

6.2 基于I节点的文件共享方法（Unix采用）

6.2.1 硬链接

6.2.3 符号链接

在Windows中叫做快捷方式

7 文件保护

主要涉及文件存取控制

存取控制矩阵给出每个用户对每个文件的访问权限。一维是所有用户，另一维是所有文件，对应的矩阵元素是用户对文件的访问权限。例如，访问操作分为：读操作（r）写操作（w）执行操作（x）不能执行任何操作（-）当用户和文件较多时，很庞大。
存取控制表（Access Control List，ACL）每个文件一张ACL，将用户分类，规定每类用户的访问权限。例如，Unix/Linux将用户分类为：文件主（owner）文件主的同组用户（group）其他用户（other）
存取权限表（Capability List，CL）每个用户一张CL，规定对每个文件的访问权限。
口令用户创建文件时，设置一个口令，放在文件目录中。
密码写入时加密，读出时解密。

假定两个用户共享一个文件系统，用户A有文件a，b，e，f ，用户B有文件c，d，e，f。用户A的b和用户B的d是同一个文件。用户A的e和用户B的e不是同一个文件，用户A的f和用户B的f是同一个文件。拟定一个文件组织方案，使得A，B两个用户能够共享该文件系统而不会造成混乱

答

为了确保用户A和用户B能够共享文件系统而不会造成混乱，可以采用以下文件组织方案：

首先创建两个用户目录：为每个用户创建一个独立的目录，目录A和目录B。这样，用户A和用户B的文件可以分别存储在各自的目录中，避免混淆，对于用户A的e和用户B的e不是同一个文件，则可以将它们分别存放在各自的目录中，因为它们不需要共享
共享文件存放目录：对于文件f，创建一个共享文件存放目录，这确保了用户A和用户B可以共同访问和修改这些共享文件。
建立符号链接：对于用户A的b和用户B的d是同一个文件，则可以在用户A的目录中创建一个符号链接，指向用户B的文件d。这样，用户A可以访问和操作这个文件，同时避免重复存储。

通过以上的文件组织方案，用户A和用户B可以共享文件系统，各自管理自己的文件，并且能够访问和修改共享文件，同时避免重名文件和混淆。这样可以确保文件系统的整体有序性和可维护性。

已知某文件系统采用多级目录结构，逻辑块和物理块大小均为1KB，目录当做文件，采用目录项+I结点的方式。假定要读取文件/a/b/c.dat的第10600-10900个字节，针对连续结构，基本链式结构，FAT和单级索引结构这四种情况，回答下列问题

1 给出读盘过程

2 给出读盘次数（如果有必要，可以对本题未给出的条件做出合理假设）

读盘过程：

连续结构：根据文件/a/b/c.dat在目录中的信息，找到其起始逻辑块号。然后根据逻辑块号和文件系统的块映射关系，直接读取对应的物理块
基本链式结构：根据文件/a/b/c.dat在目录中的信息，找到对应的I节点编号。从I节点中读取文件的索引结构，逐级跳转到链式结构中的下一个块，直到找到包含所需字节范围的块。然后从该块中读取所需字节。
FAT（文件分配表）结构：根据文件/a/b/c.dat在目录中的信息，找到对应的I节点编号。从I节点中读取文件的索引结构，根据FAT表的信息，依次读取块链中的物理块，直到找到包含所需字节范围的块。然后从该块中读取所需字节。
单级索引结构：根据文件/a/b/c.dat在目录中的信息，找到对应的I节点编号。从I节点中读取文件的索引结构，根据单级索引指向的块，再根据块内的索引信息找到包含所需字节范围的块。然后从该块中读取所需字节。

读盘次数：

连续结构：只需进行一次读取，因为连续结构中的数据是连续存储的。
基本链式结构：根据所需字节范围的位置，可能需要多次读取。每次读取都需要跳转到下一个块。
FAT结构：根据所需字节范围的位置，可能需要多次读取。每次读取都需要根据FAT表的信息找到下一个块。
单级索引结构：根据所需字节范围的位置，可能需要多次读取。每次读取都需要根据索引结构中的信息找到下一个块。

需要注意的是，以上的读盘次数可能还会受到文件系统的缓存策略等因素的影响，这里只是基于给出的情况做出的合理估计。

为某一个应用场景设计一个文件系统，所设计的文件系统不能建立在已有的文件系统的基础上。具体要求如下：

1 举一个应用场景的例子，说明该场景下对文件系统的具体需求

2 针对具体需求给出一种文件系统的设计方案

3 对你的设计方案进行评价

应用场景示例：智慧农业控制嵌入式系统。在智慧农业系统中，用户可以通过手机或者智能音箱等设备来控制农场中的各种设备，如灯光、温度、安防等。在这个场景中，文件系统被用于存储和管理各类设备的配置文件、日志文件等数据。
文件系统设计方案：

考虑到智慧农业控制嵌入式系统的特点和需求，可以设计一种轻量级的文件系统，具备以下特点：

简单快速: 提供简洁的操作界面和易于理解的文件组织方式，方便用户进行文件的存储、查找和管理。优化文件系统的读写性能，以满足实时控制的需求。采用文件缓存、文件索引等技术来提升文件读写效率。
可靠性: 采用数据冗余和文件系统日志等机制来保证数据的完整性和可靠性，防止数据丢失或损坏。
安全性: 对于敏感信息，采用加密算法进行数据保护，防止数据泄露和非法访问。
灵活扩展: 设计分级的结构设计，以便未来能够支持新的设备类型、新的功能和协议。