操作系统(四)文件管理

操作系统(四)文件管理

  • 一、文件系统基础
    • 1.文件逻辑结构
      • 无结构文件
      • 有结构文件
    • 2.文件目录
      • 文件控制块(FCB)
      • 目录结构
        • 单级目录
      • 两级目录结构
      • 多级目录结构
      • 无环图目录结构
    • 3.文件保护
      • 口令保护
      • 加密保护
      • 访问控制
    • 4.文件共享
      • 硬链接
      • 软链接
    • 5.文件系统实现
      • 文件物理结构
        • 连续分配
        • 链接分配
          • 隐式链接
          • 显式链接
          • 索引分配
    • 6.文件存储空间管理
    • 7.文件系统的层次结构
    • 8.磁盘结构
    • 9.磁盘调度算法
        • 先来先服务算法(FCFS)
        • 最短寻找时间优先(SSTF)
        • 扫描算法(SCAN)
        • LOOK 调度算法
        • 循环扫描算法(C-SCAN)
        • C-LOOK 调度算法

一、文件系统基础

1.文件逻辑结构

无结构文件

无结构文件:文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称“流式文件”。如:Windows 操作系统中的 .txt 文件。

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有结构文件

有结构文件:由一组相似的记录组成,又称“记录式文件”。每条记录又若干个数据项组成。如:数据库表文件。一般来说,每条记录有一个数据项可作为关键字(作为识别不同记录的ID)
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有结构文件分为顺序文件、索引文件、索引顺序文件和直接文件或散列文件

顺序文件
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定长记录的顺序文件,若物理上采用顺序存储,则可实现随机存取;若能再保证记录的顺序结构,则可实现快速检索(即根据关键字快速找到对应记录)

索引文件
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索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第 i 个记录对应的索引项。可将关键字作为索引号内容,若按关键字顺序排列,则还可以支持按照关键字折半查找。每当要增加/删除一个记录时,需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度,因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合

索引顺序文件
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索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中,同样会为文件建立一张索引表,但不同的是:并不是每个记录对应一个索引表项,而是一组记录对应一个索引表项。

多级索引顺序文件
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2.文件目录

文件控制块(FCB)

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FCB 的有序集合称为“文件目录”,一个FCB就是一个文件目录项。FCB 中包含了文件的基本信息(文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等),存取控制信息(是否可读/可写、禁止访问的用户名单等),使用信息(如文件的建立时间、修改时间等)。最重要,最基本的还是文件名、文件存放的物理地址。

目录结构

单级目录

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单级目录实现了“按名存取”,但是不允许文件重名。在创建一个文件时,需要先检查目录表中有没有重名文件,确定不重名后才能允许建立文件,并将新文件对应的目录项插入目录表中

两级目录结构

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多级目录结构

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无环图目录结构

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可以用不同的文件名指向同一个文件,甚至可以指向同一个目录(共享同一目录下的所有内容)。需要为每个共享结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结点。用户提出删除结点的请求时,只是删除该用户的FCB、并使共享计数器减1,并不会直接删除共享结点。只有共享计数器减为0时,才删除结点。

注意:共享文件不同于复制文件。在共享文件中,由于各用户指向的是同一个文件,因此只要其中一个用户修改了文件数据,那么所有用户都可以看到文件数据的变化。

3.文件保护

口令保护

为文件设置一个“口令”(如:abc112233),用户请求访问该文件时必须提供“口令”。口令一般存放在文件对应的 FCB 或索引结点中。用户访问文件前需要先输入“口令”,操作系统会将用户提供的口令与FCB中存储的口令进行对比,如果正确,则允许该用户访问文件

优点:保存口令的空间开销不多,验证口令的时间开销也很小。
缺点:正确的“口令”存放在系统内部,不够安全。

加密保护

用某个“密码”对文件进行加密,在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。
例如:一个最简单的加密算法——异或加密
假设用于加密/解密的“密码”为“01001”
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优点:保密性强,不需要在系统中存储“密码”
缺点:编码/译码,或者说加密/解密要花费一定时间。

访问控制

在每个文件的FCB(或索引结点)中增加一个访问控制列表(Access-Control List, ACL),该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。

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4.文件共享

硬链接

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索引结点中设置一个链接计数变量 count,用于表示链接到本索引结点上的用户目录项数。

若 count = 2,说明此时有两个用户目录项链接到该索引结点上,或者说是有两个用户在共享此文件。
若某个用户决定“删除”该文件,则只是要把用户目录中与该文件对应的目录项删除,且索引结点的count值减 1。
若 count>0,说明还有别的用户要使用该文件,暂时不能把文件数据删除,否则会导致指针悬空。
当 count = 0 时系统负责删除文件。

软链接

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当 User3 访问“ccc”时,操作系统判断文件“ccc”属于 Link 类型文件,于是会根据其中记录的路径层层查找目录,最终找到 User1 的目录表中的“aaa”表项,于是就找到了文件1的索引结点。

5.文件系统实现

文件物理结构

磁盘块
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连续分配

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链接分配

隐式链接

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用户给出要访问的逻辑块号 i,操作系统找到该文件对应的目录项(FCB),从目录项中找到起始块号(即0号块),将0号逻辑块读入内存,由此知道1号逻辑块存放的物理块号,于是读入1号逻辑块,再找到2号逻辑块的存放位置……以此类推。因此,读入i号逻辑块,总共需要 i+1 次磁盘I/O。

结论:采用链式分配(隐式链接)方式的文件,只支持顺序访问,不支持随机访问,查
找效率低。另外,指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。

显式链接

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索引分配

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6.文件存储空间管理

文件空间划分:
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文件空间管理:

  1. 空闲表法
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  2. 空闲链表
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  1. 位式图法
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  2. 成组链接法

空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统,因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。
文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”,当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。

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7.文件系统的层次结构

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8.磁盘结构

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9.磁盘调度算法

先来先服务算法(FCFS)

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最短寻找时间优先(SSTF)

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扫描算法(SCAN)

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LOOK 调度算法

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循环扫描算法(C-SCAN)

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C-LOOK 调度算法

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