1、,第6章 文件系统,6.1 文件系统的概念6.2 文件结构和存取方法6.3 文件存贮空间管理6.4 文件目录管理6.5 文件系统的可靠性6.6 文件的保护6.7 文件的使用6.8 Windows XP的文件系统,6.1.1 什么叫文件 6.1.2 文件分类和文件的属性6.1.3 文件系统的功能,6.1 文件系统的概念,两种有代表性的定义： 文件是由字节组成，这是一种无结构的文件，或称流式文件 目前UNIX操作系统，MS-DOS系统均采用这种文件形式 文件是由记录组成,记录是一些相关信息的集合，记录可以由若干个数据项组成，数据项的类型可以是字符型、数值型、布尔型等等,6.1.1 什么叫文件,文件
2、分类 文件按用途划分 文件按操作保护划分 文件按信息流向划分 文件按保留要求划分 根据需要的不同的划分,6.1.2 文件分类和文件的属性,文件按用途划分 系统文件。由操作系统及其它系统程序有关的一些信息所组成的文件。 库文件。由标准子程序及常用的实用程序组成的文件。 用户文件。由用户的信息所组成的文件，如用户的源程序文件，数据文件，目标代码文件，计算结果文件等。,6.1.2 文件分类和文件的属性,文件按操作保护划分 只读文件。允许对其执行读操作的文件，不允许执行其它操作的文件。 读写文件。允许拥有者和授权者对其执行读写操作，而禁止其它用户对其进行任何访问的文件。 执行文件。允许用户调用执行，但
3、不允许读，也不允许写的文件。,6.1.2 文件分类和文件的属性,文件按信息流向划分 输入文件。只能用于输入的文件。如，读卡机和纸带输入机上的文件。 输出文件。只能用于输出的文件。如，打印机，穿孔机上的文件。 IO文件。既可用于输入，又可用于输出的文件，如，磁带、磁盘上的文件。,6.1.2 文件分类和文件的属性,文件按保留要求划分 临时文件。用户暂时使用的文件，无副本。 永久文件。用户经常用到的文件，有副本。 档案文件。用于备份保存起来的文件，以备查证和恢复用。,6.1.2 文件分类和文件的属性,根据需要的不同的划分 普通文件。一般的系统文件或用户文件。 目录文件。文件目录构成的文件。 特殊文件
4、。将一些外部设备作为文件统一管理和使用，为区别起见，把设备称为特别文件,6.1.2 文件分类和文件的属性,文件的属性 文件类型。 文件长度。 文件的位置。 文件的存取控制。 文件的建立时间。,6.1.2 文件分类和文件的属性,文件系统的功能 用户可执行创建、修改、删除以及读写文件的命令。 用户能以合适的方式构造他的文件。 用户能在系统的控制下，共享其他用户的文件。 用户可用文件名访问文件。 系统具有后备和恢复文件的能力，防止对文件信息无意或有意的破坏。 系统能够提供可靠的保护及保密措施。,6.1.3 文件系统的功能,6.2.1 文件的逻辑结构6.2.2 文件的存取方法6.2.3 文件的物理结构
5、6.2.4 文件结构与存贮设备以及存取方法的关系,6.2 文件结构和存取方法,记录式文件 是一种有结构的文件，由若干个相关记录构成文件 记录式文件分为定长记录文件和变长记录文件。 定长记录文件是每个记录的长度都相同，文件长度由记录个数所决定。 变长记录文件是每个记录的长度不等，文件长度则为各记录长度之和。,6.2.1 文件的逻辑结构,无结构文件 又称为流式文件，文件内部无结构，是有序的相关字符的集合。 文件的长度直接按字节来计算,6.2.1 文件的逻辑结构,文件的存取方法根据存取的顺序关系通常分为两类： 顺序存取 随机存取,6.2.2 文件的存取方法,顺序存取： 严格地按记录排列的顺序依次存取
6、 rpi+1=rpi+l 其中，rpi+1是“下一个”的记录首地址；rpi是当前记录首地址,6.2.2 文件的存取方法,随机存取： 根据记录号立即存取所需记录的存取方法 对于定长记录，随机存取第i个记录，则逻辑地址为：LA:=i*L(0in) 其中，L为记录长度，n为记录个数,6.2.2 文件的存取方法,文件的物理结构定义: 文件的物理结构是指一个逻辑文件在物理存贮器上的存贮结构形式 几种常见文件的基本物理存贮结构形式: 连续文件 链接文件 索引文件 索引链接文件 逻辑记录在物理块中的安排,6.2.3 文件的物理结构,6.2.3 文件的物理结构,连续文件 连续文件是指把一个逻辑上由连续记录构成
7、的文件依次存放到连续的物理块中的 连续文件存贮结构,连续文件的优点: 一旦知道文件的存贮始址(首块块号)和文件长度就可以高速顺序地读取整个文件 连续文件组织方法简单 存取速度快，适合于存放顺序文件。 连续文件的主要缺点: 与主存贮器的分区分配一样，存在碎片问题,6.2.3 文件的物理结构,链接文件 链接文件也叫串联文件，采用非连续的物理块来存放信息。 链接文件的优点: 一般采用动态分配，申请一块，存入一块，同时修改前一块的指针，使它形成链 由于文件采用链接结构，所以文件的插入和删除记录比较方便,6.2.3 文件的物理结构,链接文件的主要缺点:只适合于顺序存取 存取速度比较慢 不能随机存取的原因
8、在于为了读取某一块上的信息，必须依次读出前面所有物理块，顺指针寻找所需要的块。,6.2.3 文件的物理结构,索引文件: 索引文件的组织方式是为每个文件建立一个索引表，索引表的每一栏指出一个记录的物理块号 索引表由系统建立，随同文件一并存入同一个文件卷上，文件卷上的文件目录中的文件地址指针不是指向文件本身而是指向它的索引表,6.2.3 文件的物理结构,索引文件优点: 文件存贮分配方便 可以采用动态分配所需要的物理块 查找速度也比较快,6.2.3 文件的物理结构,逻辑记录在物理块中的安排 记录在物理块中的安排的两种情况： （1）逻辑记录长度为物理块大小的整数因子的情况 （2）记录长度不为物理块大小
9、的整数因子,6.2.3 文件的物理结构,逻辑记录长度为物理块大小的整数因子的情况 在这种情况下，一个物理块可以装下整数个记录 为了确定物理块地址，首先应该求出该记录所在的相对块号RBN，它可以由下式确定：RBN=(LBA/PBL)其中：LBA为逻辑记录的相对字节地址，(LBA=记录号i*逻辑记录长度)，PBL为物理块长度(以字节为单位),6.2.3 文件的物理结构,逻辑记录长度为物理块大小的整数因子的情况（续） 对于连续文件，其任一记录所在物理块的地址PBA可由下式确定：PBL=(文件的第一个物理块号+RBN) 对于链接文件，需要根据相对块号由文件首块开始顺链查找记录所在的物理块。 对于索引文
10、件，则必须对索引表作适当修改。这时需要利用分配给文件的相对块号作为索引，而不是以记录号作为索引。所要存取的记录i在物理块内的相对地址PBO可由下式求出：PBO=LBA mode PBL 对于索引链接文件，它的物理块的确定与索引文件类似可以推出。,6.2.3 文件的物理结构,记录长度不为物理块大小的整数因子 这种情况下，一个物理块不能刚好装下整数个记录 问题描述： 一个物理块长为1024个字节，而记录长度为300个字节。这时，一个物理块装3个记录有余，而装4个记录又不行，怎么办?,6.2.3 文件的物理结构,解决这个问题有三个办法： 将300个字节长度的记录看作512个字节，这样一个物理块装两个
11、记录，其计算地址的方法变成记录长度为物理块长度整数因子的情况 调度物理块的大小，使之与记录长度匹配，或接近记录长度的整数倍 允许一个逻辑记录跨多个物理块存贮，并采用相应的算法来查找记录所在的块号,6.2.3 文件的物理结构,确定任一逻辑记录所在的物理块地址及物理块内的相对地址的方法： 根据记录的逻辑地址，确定记录的相对块号。其计算公式仍是RBN=LBAPBL。 查索引表，确定物理块号PBN。 计算物理块内的相对地址。计算公式仍是:PBO=LBA mode PBL,6.2.3 文件的物理结构,确定任一逻辑记录所在的物理块地址及物理块内的相对地址的方法（续）： 计算在该物理块内的逻辑字节长度ALB
12、L。其计算公式如下：ALBL=minLBL，(PBLPBO) 计算剩余字节长度LBL，并判别，若为0则返回，若不为0则做下一步。计算公式是：LBL=LBA-ALBL 计算记录的剩余部分的逻辑地址，计算公式是：LBA=LBA+ALBL,6.2.3 文件的物理结构,6.2.4 文件结构与存贮设备以及存取方法的关系,6.3.1空白文件目录6.3.2位示图6.3.3 空白块链,6.3 文件存贮空间管理,空白文件目录方法是把文件存贮器中未分配的每一片连续区域看作一个空白文件，系统为这些空白文件建立一个目录表，表的每一栏登记一个空白文件所拥有的物理块的数量与物理块号,6.3.1空白文件目录,位示图又称位向
13、量 是一种映射结构 采用的办法是将内存某一约定区域视为一个向量，表示某一文件存贮器，向量中的每一位依次对应一个物理块，向量的长度正好等于这个文件存贮器所拥有的块数，约定向量的某一位为“0”表示该块空闲，否则为“1”时表示被占用,6.3.2位示图,传统的方法： 将文件存贮器上的所有空闲块用的链接指针链接在一起，系统在内存设一个指针指向该空闲块链的第一个空闲块 这种办法简单可靠 这种办法的效率很低,6.3.3 空白块链,改进的方法： 是采用类似索引链接文件的组织方法来管理文件存贮器上的空白文件块 指导思想是将空白块按固定数量分组，每一组的第一块上建立一个索引表,6.3.3 空白块链,6.4.1文件
14、控制块6.4.2一级文件目录结构6.4.3二级目录结构6.4.4多级目录结构,6.4 文件目录管理,文件的构成： 文件控制块(File Control BlockFCB) 文件体 FCB中的信息： 文件名。它是用来标识文件的符号名 内部名。系统内部为管理和查找方便给文件赋予的内部标识 用户名。在较完备的系统中，允许一个用户有若干个文件，不同的用户有相同的文件名,6.4.1文件控制块,FCB中的信息（续）： 存放方式。说明文件在外存中的结构 物理位置。文件在外存存放的物理位置 记录规格。标明组成该文件的记录是等长还是变长和记录长度等内容。 创建时间，保存期限。说明该文件是何时创建的，应保存多长时
15、间。 口令。将用户自已规定的口令保存在文件控制块中，以加强文件的安全性，在执行文件操作时，系统帮助核对口令，口令不一致则停止操作。,6.4.1文件控制块,FCB中的信息（续）： 操作限制。为了保护文件，应对某规定允许访问的操作类型 共享说明。 其它。如对文件的增删说明，指出文件能否截断和删除文件的某一部分和能否对文件增补新的内容等。,6.4.1文件控制块,一级文件目录结构定义： 一级文件目录也称为简单文件目录，它是系统为存入系统中的所有文件而建立的一张文件目录表，每个文件占目录表中的一栏 一级文件目录结构优点： 结构简单 容易实现 一级文件目录结构缺点： 当文件数目增多时，出现文件重名冲突 文
16、件检索时间过长，文件共享困难,6.4.2一级文件目录结构,二级目录结构： 把记录文件的目录分为两级： 1.主文件目录(MFDMaster File Directory) 2.其所管辖的若干个用户文件目录(UFDUser File Directory)组成,6.4.3二级目录结构,多级目录结构： 也称为树形目录结构 在此种结构中，有一个根目录，任何一级目录中的项，既可以指向次一级的子目录(即目录文件)，又可以指向一个普通文件。,6.4.4多级目录结构,两种变形的树形目录结构： 无环图目录结构 指在树形目录结构中增加了一些未形成环路的链。 通用图目录结构 通用图目录结构是在树形目录结构的基础上，增
17、加共享链,6.4.4多级目录结构,树形目录结构的优点： 解决了文件重名问题。 有利于文件分类。 提高检索文件的速度。 能进行存取权限的控制。,6.4.4多级目录结构,6.5.1系统备份6.5.2文件系统数据的一致性,6.5 文件系统的可靠性,磁带适合于存储顺序文件，因此现在主要把它作为后备设备。 磁带机往往价格便宜，容量大，但访问速度比较慢。 可刻录光盘因为价格低，存储容量大，保存时间长，可随机快速访问而日趋成为主要的后备设备。 磁盘是主要的后备设备，备份软盘上的文件系统很简单，只需要把整个磁盘内容复制到一张空软盘即可。 双硬盘数据备份可以采用完整备份方法，即每次备份时，都复制数据区的全部内容
18、，不论其中某些数据是否在备份区已经存在。,6.5.1 系统备份,双硬盘数据备份,6.5.1 系统备份,1磁盘块的一致性检查建立两张表。一张表统计磁盘上每个盘块在文件中出现的次数，称为数据块计数表；另一张表统计每个盘块在空闲分区表、空闲分区链表或位示图等数据结构中的出现次数，称为空闲块计数表。 2文件的一致性检查文件系统的一致性检查还包括文件的一致性检查，通过检查目录系统的一致性来实现。,6.5.2文件系统数据的一致性,6.6.1 文件的完整性6.6.2 文件的存取保护方法,6.6 文件的保护,文件的完整性： 文件的完整性是指在系统硬件和软件出现故障的条件下，保证文件信息不被破坏 主要的办法：
19、1.全量转贮 把文件存贮器上的全部文件定期复制到备份磁盘或磁带上 2.增量转贮 每隔一段时间把上一次转贮以后修改过的文件(包括存取控制信息)和新建立的文件转贮到备份磁盘或磁带上,6.6.1 文件的完整性,常见的文件保护方法： 口令(password) 用户在建立一个文件时，同时提供一个口令，系统在为其建立文件目录时，相应地附上口令。文件主可以将口令告诉允许共享该文件的其它用户 密码技术 密码技术(也称数据保密方法)是用来保护数据的一种手段 访问控制(Access control),6.6.2文件的存取保护方法,常用的访问控制技术： （1）访问控制矩阵 （2）访问控制表,6.6.2文件的存取保护
20、方法,6.7 文件的使用,1. 建立文件(CREATE) 2删除文件(DELETE) 3打开文件(OPEN) 4文件的关闭(CLOSE) 5文件的读写,建立文件的系统调用命令的一般格式是： CREATE 设备名，文件名，参数 系统接收到建立文件的命令后，首先检索所提供的参数的合法性，若不合法则发出错信息后返回，否则一般要做下述工作： 查文件目录表，看有没有同名文件存在 为要建立的文件分配存贮空间。 将新建文件的目录项读入活动文件表中(即完成打开文件的工作)，为以后写文件体作好准备,1. 建立文件(CREATE),删除文件的系统调用命令格式是： DELETE 设备名，文件名删除文件必须小心，因为
21、一旦删除就无法恢复。尤其要注意的是，在树形目录结构文件的删除时，若删除的是普通文件必须注意是否有连接，有则必须先处理连接才能删除,2删除文件(DELETE),打开文件的系统调用命令格式是： OPEN 设备名 文件名 参数打开文件的实质是将文件存贮器中该文件的目录项读到活动文件表中(如果分开存放的目录还要把索引节点读到活动索引节点表中)，以便对文件的控制操作在主存中进行。,3打开文件(OPEN),关闭文件系统调用的格式如下： CLOSE 设备名，文件名当某文件关闭后，用户又要重新使用它，则必须重新打开该文件，系统重新将其文件控制块放入活跃文件目录表后，文件方才能被读写或进行其它操作。,4文件的关
22、闭(CLOSE）,文件的读写的格式是： READ WRITE 设备名，文件名，参数 当系统接到此系统调用后，应完成如下动作： 核对所给参数的合法性； 按文件名从活动文件目录表中寻找该文件的文件存取控制信息； 将文件存取控制信息的操作限制和共享说明与系统调用参数比较，核对存取权限；,5文件的读写,当系统接到此系统调用后，应完成如下动作： 将参数中所提供的逻辑记录号和长度，内存地址转换成物理结构对应的物理地址； 操作系统的设备管理程序按用户提供的读写参数，为用户分配所需要的设备，组织通道工作，实现真正的IO工作。,5文件的读写,6.8.1 Windows XP文件系统概述6.8.2 Windows
23、 XP文件系统模型6.8.3 NTFS在磁盘上的结构6.8.4 NTFS可恢复性支持6.8.5 NTFS安全性支持,6.8 Windows XP的文件系统,NTFS具有以下的特性： 1.可恢复性 2.安全性 3.文件加密 4.数据冗余和容错 5.大磁盘和大文件 6.多数据流 7.基于Unicode的文件名 8.通用的索引机制 9.动态添加卷磁盘空间 10.动态坏簇重映射 11.磁盘配额 12.压缩技术,6.8.1 Windows XP 文件系统概述,文件系统的组成和结构模型：,6.8.2 Windows XP文件系统模型,物理磁盘可以组织成一个或多个卷。 卷与磁盘逻辑分区有关，由一个或多个簇组
24、成，随着NTFS格式化磁盘或磁盘的一部分而创建，其中镜像卷和容错卷可能跨越多个磁盘。 主控文件表MFT(master file table)是NTFS卷结构的中心，NTFS忽略簇的大小，每个文件记录的大小都被固定为 1KB。,6.8.3 NTFS在磁盘上的结构,文件可恢复性的实现要点如下： 1日志文件服务 LFS(Log File Service) 是一组NTFS驱动程序内的核心态程序，NTFS通过LFS例程来访问日志文件。 2日志记录类型 3.可恢复性的实现 4.可恢复性操作步骤 （1）NTFS首先调用LFS在日志文件中记录所有改变卷结构的事务 （2）NTFS执行在高速缓存中的更改卷结构的操作 （3）高速缓存管理器调用LFS把日志文件刷新到磁盘 （4）高速缓存管理器把该卷的变化(事务本身)最后被刷新到磁盘,6.8.4 NTFS可恢复性支持,（1）只有用户在被赋予其访问权限或属于拥有这种权限的组，才能对文件和目录进行访问。 （2）权限是累积的 （3）“拒绝访问”权限优先高于其他所有权限 （4）文件权限始终优先于目录权限。 （5）当用户在相应权限的目录中创建新的文件或子目录时，创建的文件或子目录继承该目录的权限。 （6）创建文件或目录的拥有者，总可以随时更改对文件或子目录的权限设置来控制其他用户对该文件或目录的访问。,6.8.5 NTFS安全性支持,
