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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