【操作系统】文件管理——文件存储空间管理(个人笔记)

学习日期:2024.7.17

内容摘要:文件存储空间管理、文件的基本操作


在上一章中,我们学习了文件物理结构的管理,重点学习了操作系统是如何实现逻辑结构到物理结构的映射,这显然是针对已经存储了文件的磁盘块的,那么,操作系统又是如何管理空闲磁盘块的呢?

文件存储空间管理

存储空间的划分与初始化

在安装Windows操作系统的时候,我们要将磁盘分区,有时候我们只有一个硬盘,但是能分出来CDE三个区,这是因为分区的过程是将物理磁盘划分为逻辑盘 。

存储空间会把每个盘分成目录区和文件区,目录区主要用于存放FCB等用于磁盘存储空间管理的信息,文件区用于存放文件数据。

空闲表法

适用于连续分配方式,如下图

 就是用一个表记录从哪里开始有多少个连续空闲块,分配和回收的方法也和内存管理中的连续分配方式类似,可以用几种算法决定如何分配。(链接:连续分配方式)需要专门注意的就是回收区前后都是空闲区时,要合并前后的表项

空闲链表法

空闲链表法又可以分成空闲盘块链空闲盘区链,二者的核心区别在于链表的“节点”是单独的盘块还是由连续空闲盘块组成的盘区。

不论那种方式,操作系统都会保存链头和链尾的指针

如果是使用空闲盘块链,当需要K个磁盘块时,从链头开始依次“取下”K个磁盘块 ,并修改链头指针,当回收磁盘块时,将空闲的盘块挂到链尾。显然,这种方式可以适用于离散分配的物理结构。

当使用空闲盘区链时,与空闲表法类似,同样可以用首次适应、最佳适应等算法,从链头开始检索,根据算法规则找出一个合适的空间分配给文件,只不过是空间由表格保存变为了用链表保存。

位示图法

其实就是用二进制位来表示盘块是否已分配,分配的是1,空闲的是0,用字号和位号来推算出盘块号。其实也算是某种表格,用(i,j)表示字号位号,像十字座标一样,确定一个盘块。

当盘块号,字号,位号都从0开始,字长为n时,(字号,位号)=(i,j)对应的盘块号 b=n*i+j

b号盘块对应的字号i=b/n 取整数部分                   位号 j =b%n

如何分配:若文件需要K个块,先顺序扫描位示图,找到K个"0",再根据字号和位号算出对应的盘块号分配出去,最后把"0"改成"1"即可。

成组链接法

空闲表法和空闲链表法在保存大文件时并不好用,因为空闲表或链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法来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”,当系统启动时将超级块读入内存。

超级块中记录下一组空闲盘块数空闲块号,超级块连着下一组超级块,直到尽头用-1等特殊值表示没有下一组。每个分组的空闲盘块数目上限是一定的,图中是100个。

 每个分组的块号不需要连续,例子中是为了便于看出数量。

如何分配:若文件需要K个块,首先检查第一个分组的块数是否足够,不够则检查下一组,当检查到足够的分组时,分配空闲块,并修改分组的空闲块个数和块号。

当一个分组的块数全部用完后,要把下一个分组的信息存到其前置节点,类似链表删除节点,要把next节点接到前一个节点。

如何回收:若分组没满,只需要把回收的块号放入分组,并修改分组的空闲块个数和块号。若分组已经满了,则将超级块中的数据复制到新回收的块中,并修改超级块的内容,让新回收的块成为第一个分组。(类似链表头插法)

文件的基本操作

创建文件(Create系统调用)

进行Create系统调用时,需要提供:

1.所需的外存空间大小

2.文件存放路径(如 D:/demo)和文件名

操作系统在进行Create系统调用时,主要做了:

1.在外存中找到文件所需的空间并分配。(上一部分的内容)

2.根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件,然后创建该文件对应的目录项。

删除文件(Delete系统调用)

进行Delete系统调用时,需要提供:

1.文件存放路径和文件名

操作系统在进行Delete系统调用时,主要做了:

1.根据路径找到相应的目录文件,从目录中找到对应的目录项

2.根据文件存放路径的信息找到文件在外存中的存放位置、文件大小等信息,回收磁盘块。(回收时,根据使用管理策略的不同,用不同的方法,参考上面的内容)

3.从目录表中删除对应的目录项。

打开文件(Open系统调用)

进行Open系统调用时,需要提供:

1.文件存放路径和文件名

2.要对文件进行的操作类型(如 r只读,rw读写等等)

操作系统在进行Open系统调用时,主要做了:

1.根据路径找到相应的目录文件,从目录中找到对应的目录项,检查用户是否有相应的操作权限。

2.将目录项复制到内存中的“打开文件表”中,并将对应表目的编号返回给用户,之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件。

 把每个进程的打开文件表整合,就是整个系统的打开文件表,它可以方便实现某些文件管理的功能。比如说,有时候我们想删除某个文件时,操作系统会提示我们“暂时无法删除,因为该文件正在被xxx占用”,这其实就是操作系统检查了打开文件表,发现有进程正在使用该文件。

关闭文件(Close系统调用)

操作系统在进行Open系统调用时,主要做了:

1.将进程的打开文件表相应表项删除

2.回收分配给该文件的内存空间等资源

3.系统打开文件表的打开计数器count-1,若count=0 删除表项。

读文件(Read系统调用)

进行Read系统调用时,需要提供:

1.要读的文件

2.读入的数据和在内存中放入的位置

操作系统在处理read系统调用时,会从读指针指向的外存中,将用户直到大小的数据读入用户指定的内存区域中。

写文件(Write系统调用)

进行Read系统调用时,需要提供:

1.要读的文件

2.要写出的数据和要写出的数据放在内存中的位置

操作系统在处理read系统调用时,会从读指针指向的内存中,将用户直到大小的数据读入用户指定的外存区域中。


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内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》

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