操作系统-4.1-文件

拼搏现实的明天。 2023-10-03 12:33 1阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*  操作系统-4.1-文件
 *   *  1. 初识文件管理
     *   *  1.1文件的属性
         *  1.2文件内部的数据应该怎样组织起来？
         *  1.3操作系统应该向上提供哪些功能？
         *  1.4从上往下看，文件应如何存放在外存？
         *  1.5其他需要由操作系统实现的文件管理功能
         *  1.6总结
     *  2.文件的逻辑结构
     *   *  2.1无结构文件
         *  2.2有结构文件
         *  2.3有结构文件的逻辑结构
         *   *  2.3.1顺序文件
             *  2.3.2索引文件
             *  2.3.3索引顺序文件
         *  2.4总结
     *  3.文件目录
     *   *  3.1文件控制块
         *  3.2目录结构
         *   *  3.2.1单级目录结构
             *  3.2.2两级目录结构
             *  3.2.3多级目录结构
             *  3.2.4无环图目录结构
         *  3.3索引节点
         *  3.4总结

## 操作系统-4.1-文件 ##

> 本文讲文件的属性 and 文件逻辑结构 and 文件目录。

### 1. 初识文件管理 ###

#### 1.1文件的属性 ####

> 一个文件有哪些属性？

*  **文件名**：由创建文件的用户决定文件名，主要是为了方便用户找到文件，**同一目录下不允许有重名文件**。
 *  **标识符**：一个系统内的各文件标识符唯一，对用户来说毫无可读性，因此标识符只是操作系统用于区分各个文件的一种内部名称。
 *  **类型**：指明文件的类型。
 *  **位置**：文件存放的路径（让用户使用）、在外存中的地址（操作系统使用，对用户不可见）。
 *  **大小**：指明文件大小。
 *  **创建时间、上次修改时间**
 *  **文件所有者信息**
 *  **保护信息**：对文件进行保护的访问控制信息。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70]

#### 1.2文件内部的数据应该怎样组织起来？ ####

*  **无结构文件**：（如文本文件）由一些二进制或字符流组成，又称“流式文件”。
 *  **有结构文件**：（如数据库表）有一组相似的记录组成，又称“记录式文件“。
    
    > 记录：是一组相关数据项的集合。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 1.3操作系统应该向上提供哪些功能？ ####

1.  可以“**创建文件**”，(点击新建后，图形化交互进程在背后调用了“**create系统调用**“）。
2.  可以“**读文件**”，将文件数据读入内存，才能让CPU处理（双击后,“记事本”应用程序通过操作系统提供的“读文件”功能，即**read系统调用**，将文件数据从外存读入内存，并显示在屏幕上)。
3.  可以“**写文件**”，将更改过的文件数据写回外存（我们在“记事本”应用程序中编辑文件内容，点击“保存”后，“记事本”应用程序通过操作系统提供的“写文件”功能，即 **write系统调用**，将文件数据从内存写回外存)。
4.  可以“**删除文件**”，（点了“删除”之后，图形化交互进程通过操作系统提供的“**删除文件**”功能，即**delete系统调用**，将文件数据从外存中删除)。

**向上提供的几个最基本的功能：**

1.  创建文件(create系统调用)
2.  删除文件(delete系统调用)
3.  读文件(read系统调用)
4.  写文件(write系统调用)
5.  打开文件(open系统调用)。读/写文件之前，需要“打开文件”。
6.  关闭文件(close系统调用)。读/写文件结束之后，需要“关闭文件”。

#### 1.4从上往下看，文件应如何存放在外存？ ####

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#### 1.5其他需要由操作系统实现的文件管理功能 ####

*  **文件共享**：使多个用户可以共享使用一个文件。
 *  **文件保护**：如何保证不同的用户对文件有不同的操作权限。

#### 1.6总结 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

### 2.文件的逻辑结构 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

#### 2.1无结构文件 ####

> 按文件是否有结构分类，可以分为无结构文件，有结构文件两种。

**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。

> 注：文件内部的数据其实就是一系列字符流，没有明显的结构特性。因此也不用探讨无结构文件的“逻辑结构”问题。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

#### 2.2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**。根据各条记录的长度(占用的存储空间）是否相等，又可分为**定长记录**和**可变长记录**两种。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

#### 2.3有结构文件的逻辑结构 ####

##### 2.3.1顺序文件 #####

**顺序文件**：文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是**定长**的或**可变长**的。

> 各个记录在物理上可以**顺序存储**或**链式存储**。

*  **顺序存储**：逻辑上相邻的记录，物理上也相邻（类似于顺序表）。
    
     *  **可变长记录**：无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找。
     *  **定长记录**：可实现随机随机存取，记录长度为`L`，则第`i`个记录存放的相对位置是`i*L`。
        
        1.  若采用串结构，无法快速找到某关键字对应的记录。
        2.  若采用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录（如折半查找）。
 *  **链式存储**：逻辑上相邻的记录，物理上不一定相邻（类似于链表）。
    
     *  无论是定长/可变长记录，都无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找。

> 顺序文件还可以分为**串结构**和**顺序结构**：

*  **串结构**：记录之间的顺序于关键字无关。（串结构通常按照记录存入的时间决定记录的顺序）。
 *  **顺序结构**：记录之间的顺序按关键字顺序排列。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

##### 2.3.2索引文件 #####

> 对于可变长记录文件，要找到第i个记录，必须先顺序第查找前i-1个记录，但是很多应用场景中又必须使用可变长记录。如何解决这个问题？

**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。**

另外，**可以用不同的数据项建立多个索引表**。如：学生信息表中，可用关键字“学号”建立一张索引表。也可用“姓名”建立一张索引表。这样就可以根据“姓名”快速地检索文件了。  
(Eg: SQL就支持根据某个数据项建立索引的功能)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

##### 2.3.3索引顺序文件 #####

> 思考索引文件的缺点：每个记录对应一个索引表项，因此索引表可能会很大。比如：文件的每个记录平均只占8B，而每个索引表项占32个字节，那么索引表都要比文件内容本身大4倍，这样对存储空间的利用率就太低了。

**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**。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

> 索引顺序文件的检索效率分析：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立**多级索引表**。例如，对于一个含 1 0 6 10^6 106个记录的文件，可先为该文件建立一张低级索引表，每100个记录为一组，故低级索引表中共有10000个表项(即10000个定长记录)，再把这10000个定长记录分组，每组100个，为其建立顶级索引表，故顶级索引表中共有100个表项。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

#### 2.4总结 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

### 3.文件目录 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

#### 3.1文件控制块 ####

**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**。

FCB 实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现“按名存取”。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]  
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#### 3.2目录结构 ####

##### 3.2.1单级目录结构 #####

**单级目录结构**：早期操作系统并不支持多级目录，整个系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。

*  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。
 *  显然，单级目录结构不适用于多用户操作系统。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]

##### 3.2.2两级目录结构 #####

**两级目录结构**：早期的多用户操作系统，采用两级目录结构。分为**主文件目录**和**用户文件目录**。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]

##### 3.2.3多级目录结构 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]

##### 3.2.4无环图目录结构 #####

**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。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ1OTY2NDQw_size_16_color_FFFFFF_t_70 20]

#### 3.3索引节点 ####

其实在查找各级目录的过程中只需要用到“文件名”这个信息，只有文件名匹配时，才需要读出文件的其他信息。因此可以考虑让目录表“瘦身”来提升效率。

所以引入了**索引节点**。可以把除了文件名之外的文件描述信息都放到这里来。

> 思考：这样做有什么好处？

假设一个FCB是64B，磁盘块的大小为1KB，则每个盘块中只能存放16个FCB。若一个文件目录中共有640个目录项，则共需要占用640/16= 40个盘块。因此按照某文件名检索该目录，平均需要查询320个目录项，平均需要启动磁盘**20**次（每次磁盘I/O读入一块）。

若**使用索引结点机制**，文件名占14B，索引结点指针站2B，则每个盘块可存放64个目录项，那么按文件名检索目录平均只需要读入320/64=**5**个磁盘块。显然，这将**大大提升文件检索速度**。

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当找到文件名对应的目录项时，才需要将索引结点调入内存，索引结点中记录了文件的各种信息，包括文件在外存中的存放位置，根据“存放位置”即可找到文件。

存放**在外存中**的索引结点称为“**磁盘索引结点**”，当索引结点**放入内存**后称为“**内存索引结点**”。

相比之下**内存索引结点中需要增加一些信息**，比如：文件是否被修改、此时有几个进程正在访问该文件等。

#### 3.4总结 ####

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