操作系統(tǒng)（四）文件管理

• 一、文件系統(tǒng)基礎(chǔ)
• • 1.文件邏輯結(jié)構(gòu)
  • • 無結(jié)構(gòu)文件
    • 有結(jié)構(gòu)文件
  • 2.文件目錄
  • • 文件控制塊（FCB）
    • 目錄結(jié)構(gòu)
    • • 單級(jí)目錄
    • 兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)
    • 多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)
    • 無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)
  • 3.文件保護(hù)
  • • 口令保護(hù)
    • 加密保護(hù)
    • 訪問控制
  • 4.文件共享
  • • 硬鏈接
    • 軟鏈接
  • 5.文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
  • • 文件物理結(jié)構(gòu)
    • • 連續(xù)分配
      • 鏈接分配
      • • 隱式鏈接
        • 顯式鏈接
        • 索引分配
  • 6.文件存儲(chǔ)空間管理
  • 7.文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
  • 8.磁盤結(jié)構(gòu)
  • 9.磁盤調(diào)度算法
  • • • 先來先服務(wù)算法（FCFS）
      • 最短尋找時(shí)間優(yōu)先（SSTF）
      • 掃描算法（SCAN）
      • LOOK 調(diào)度算法
      • 循環(huán)掃描算法（C-SCAN）
      • C-LOOK 調(diào)度算法

一、文件系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.文件邏輯結(jié)構(gòu)

無結(jié)構(gòu)文件

無結(jié)構(gòu)文件：文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)就是一系列二進(jìn)制流或字符流組成。又稱“流式文件”。如：Windows 操作系統(tǒng)中的 .txt 文件。

有結(jié)構(gòu)文件

有結(jié)構(gòu)文件：由一組相似的記錄組成，又稱“記錄式文件”。每條記錄又若干個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。如：數(shù)據(jù)庫表文件。一般來說，每條記錄有一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)可作為關(guān)鍵字（作為識(shí)別不同記錄的ID）

有結(jié)構(gòu)文件分為順序文件、索引文件、索引順序文件和直接文件或散列文件

順序文件：

定長記錄的順序文件，若物理上采用順序存儲(chǔ)，則可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取；若能再保證記錄的順序結(jié)構(gòu)，則可實(shí)現(xiàn)快速檢索（即根據(jù)關(guān)鍵字快速找到對應(yīng)記錄）

索引文件：

索引表本身是定長記錄的順序文件。因此可以快速找到第 i 個(gè)記錄對應(yīng)的索引項(xiàng)。可將關(guān)鍵字作為索引號(hào)內(nèi)容，若按關(guān)鍵字順序排列，則還可以支持按照關(guān)鍵字折半查找。每當(dāng)要增加/刪除一個(gè)記錄時(shí)，需要對索引表進(jìn)行修改。由于索引文件有很快的檢索速度，因此主要用于對信息處理的及時(shí)性要求比較高的場合

索引順序文件：

索引順序文件是索引文件和順序文件思想的結(jié)合。索引順序文件中，同樣會(huì)為文件建立一張索引表，但不同的是：并不是每個(gè)記錄對應(yīng)一個(gè)索引表項(xiàng)，而是一組記錄對應(yīng)一個(gè)索引表項(xiàng)。

多級(jí)索引順序文件：

2.文件目錄

文件控制塊（FCB）

FCB 的有序集合稱為“文件目錄”，一個(gè)FCB就是一個(gè)文件目錄項(xiàng)。FCB 中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)等），存取控制信息（是否可讀/可寫、禁止訪問的用戶名單等），使用信息（如文件的建立時(shí)間、修改時(shí)間等）。最重要，最基本的還是文件名、文件存放的物理地址。

目錄結(jié)構(gòu)

單級(jí)目錄

單級(jí)目錄實(shí)現(xiàn)了“按名存取”，但是不允許文件重名。在創(chuàng)建一個(gè)文件時(shí)，需要先檢查目錄表中有沒有重名文件，確定不重名后才能允許建立文件，并將新文件對應(yīng)的目錄項(xiàng)插入目錄表中

兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)

可以用不同的文件名指向同一個(gè)文件，甚至可以指向同一個(gè)目錄（共享同一目錄下的所有內(nèi)容）。需要為每個(gè)共享結(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)共享計(jì)數(shù)器，用于記錄此時(shí)有多少個(gè)地方在共享該結(jié)點(diǎn)。用戶提出刪除結(jié)點(diǎn)的請求時(shí)，只是刪除該用戶的FCB、并使共享計(jì)數(shù)器減1，并不會(huì)直接刪除共享結(jié)點(diǎn)。只有共享計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，才刪除結(jié)點(diǎn)。

注意：共享文件不同于復(fù)制文件。在共享文件中，由于各用戶指向的是同一個(gè)文件，因此只要其中一個(gè)用戶修改了文件數(shù)據(jù)，那么所有用戶都可以看到文件數(shù)據(jù)的變化。

3.文件保護(hù)

口令保護(hù)

為文件設(shè)置一個(gè)“口令”（如：abc112233），用戶請求訪問該文件時(shí)必須提供“口令”。口令一般存放在文件對應(yīng)的 FCB 或索引結(jié)點(diǎn)中。用戶訪問文件前需要先輸入“口令”，操作系統(tǒng)會(huì)將用戶提供的口令與FCB中存儲(chǔ)的口令進(jìn)行對比，如果正確，則允許該用戶訪問文件

優(yōu)點(diǎn)：保存口令的空間開銷不多，驗(yàn)證口令的時(shí)間開銷也很小。
缺點(diǎn)：正確的“口令”存放在系統(tǒng)內(nèi)部，不夠安全。

加密保護(hù)

用某個(gè)“密碼”對文件進(jìn)行加密，在訪問文件時(shí)需要提供正確的“密碼”才能對文件進(jìn)行正確的解密。
例如：一個(gè)最簡單的加密算法——異或加密
假設(shè)用于加密/解密的“密碼”為“01001”

優(yōu)點(diǎn)：保密性強(qiáng)，不需要在系統(tǒng)中存儲(chǔ)“密碼”
缺點(diǎn)：編碼/譯碼，或者說加密/解密要花費(fèi)一定時(shí)間。

訪問控制

在每個(gè)文件的FCB（或索引結(jié)點(diǎn)）中增加一個(gè)訪問控制列表（Access-Control List, ACL），該表中記錄了各個(gè)用戶可以對該文件執(zhí)行哪些操作。

4.文件共享

硬鏈接

索引結(jié)點(diǎn)中設(shè)置一個(gè)鏈接計(jì)數(shù)變量 count，用于表示鏈接到本索引結(jié)點(diǎn)上的用戶目錄項(xiàng)數(shù)。

若 count = 2，說明此時(shí)有兩個(gè)用戶目錄項(xiàng)鏈接到該索引結(jié)點(diǎn)上，或者說是有兩個(gè)用戶在共享此文件。
若某個(gè)用戶決定“刪除”該文件，則只是要把用戶目錄中與該文件對應(yīng)的目錄項(xiàng)刪除，且索引結(jié)點(diǎn)的count值減 1。
若 count>0，說明還有別的用戶要使用該文件，暫時(shí)不能把文件數(shù)據(jù)刪除，否則會(huì)導(dǎo)致指針懸空。
當(dāng) count = 0 時(shí)系統(tǒng)負(fù)責(zé)刪除文件。

軟鏈接

當(dāng) User3 訪問“ccc”時(shí)，操作系統(tǒng)判斷文件“ccc”屬于 Link 類型文件，于是會(huì)根據(jù)其中記錄的路徑層層查找目錄，最終找到 User1 的目錄表中的“aaa”表項(xiàng)，于是就找到了文件1的索引結(jié)點(diǎn)。

5.文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文件物理結(jié)構(gòu)

磁盤塊：

連續(xù)分配

鏈接分配

隱式鏈接

用戶給出要訪問的邏輯塊號(hào) i，操作系統(tǒng)找到該文件對應(yīng)的目錄項(xiàng)（FCB），從目錄項(xiàng)中找到起始?jí)K號(hào)（即0號(hào)塊），將0號(hào)邏輯塊讀入內(nèi)存，由此知道1號(hào)邏輯塊存放的物理塊號(hào)，于是讀入1號(hào)邏輯塊，再找到2號(hào)邏輯塊的存放位置……以此類推。因此，讀入i號(hào)邏輯塊，總共需要 i+1 次磁盤I/O。

結(jié)論：采用鏈?zhǔn)椒峙?#xff08;隱式鏈接）方式的文件，只支持順序訪問，不支持隨機(jī)訪問，查
找效率低。另外，指向下一個(gè)盤塊的指針也需要耗費(fèi)少量的存儲(chǔ)空間。

顯式鏈接

索引分配

6.文件存儲(chǔ)空間管理

文件空間劃分：

文件空間管理：

空閑表法

空閑鏈表

位式圖法

成組鏈接法

空閑表法、空閑鏈表法不適用于大型文件系統(tǒng)，因?yàn)榭臻e表或空閑鏈表可能過大。UNIX系統(tǒng)中采用了成組鏈接法對磁盤空閑塊進(jìn)行管理。
文件卷的目錄區(qū)中專門用一個(gè)磁盤塊作為“超級(jí)塊”，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要將超級(jí)塊讀入內(nèi)存。并且要保證內(nèi)存與外存中的“超級(jí)塊”數(shù)據(jù)一致。

7.文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

8.磁盤結(jié)構(gòu)

9.磁盤調(diào)度算法

先來先服務(wù)算法（FCFS）

最短尋找時(shí)間優(yōu)先（SSTF）

掃描算法（SCAN）

LOOK 調(diào)度算法

循環(huán)掃描算法（C-SCAN）

C-LOOK 調(diào)度算法

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统（四）文件管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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