1、操作系统 Operating System,北方工业大学计算机系 North China University of Technology Department of Computer 授课教师：宋丽华 Email： Tel: 88803939 五教1102,第八章 文件系统,8.1 文件系统的概念,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,8.3文件的物理结构与存储设备,8.5 文件目录管理,8.4 文件存储空间管理,8.6 文件存取控制,8.7 文件的使用,8.8 文件系统的层次模型,第八章 文件系统, 为什么需要文件系统？,信息和数据是一种重要的资源,用户对物理存贮设备的使用逻辑化,操作系统不可
2、能全部驻留内存 用时调入,8.1 文件系统的概念,文件系统把相应的程序和数据看作文件，并把它们存放在磁盘或磁带等大容量存储介质上，从而做到对程序和数据的透明存取。 透明存取是指不必了解文件存放的物理结构和查找方法等与存取介质有关的部分，只需给定一个代表某段程序或数据的文件名，文件系统就会自动地完成相应的操作。,文件管理的实质,8.1 文件系统的概念,合理存放信息，对辅存空间进行统一管理。创建新文件时为它分配空间，删除文件时回收空间。 按名存取信息，要有用户可见的文件逻辑结构，它独立于物理设备。 便于存放和加工信息，文件在存储设备上应按一定的顺序存放，这种存放方式叫做文件的物理结构。 实现对存储
3、设备上的文件信息的查找。 文件的共享与保护：解决文件命名中的冲突，进行存取权限的控制,文件管理任务,8.1 文件系统的概念,8.1 文件系统的概念,文件 一组带标识的在逻辑上有完整意义的信息项的集合 标识：文件名 信息项：构成文件的基本单位(字符流或记录) 文件内容的意义：由文件建立者和使用者解释文件,8.1 文件系统的概念,文件系统：是操作系统中与文件管理有关的软件和数据结构的集合。 功能 建立、删除、读写、修改、复制文件 统一管理文件的存储空间，分配与回收存储区 按名存取（名字存储空间） 存取控制,系统文件 操作系统核心/系统应用程序, 只允许用户执行,不允许读写Eg: DEBUG.EXE
4、 - Debug调试工具 库文件 各种标准子程序库, 允许用户执行和读取、不允许修改 Eg: gdi32.dll(动态库)， Test.lib(静态库) 用户文件 所有者或授权用户可以使用,8.1 文件系统的概念,文件的分类（按用途）,8.1 文件系统的概念,文件的分类（按组织）,普通文件 一般格式的文件 包括系统文件/用户文件/库文件 目录文件 文件的目录信息, 不是程序或应用数据 UNIX目录文件: 包含了其它文件的名字以及指向与这些文件有关信息的指针, 用户不能对目录文件进行写操作 特殊文件 I/O设备文件,Uinx 目录和目录项,目录是一种特殊文件, 其文件内容是该目录中的目录项。 目
5、录项内容包括索引节点编号,和文件名.,8.1 文件系统的概念,文件的分类（其他）,按保护方式 只读文件、读写文件、可执行文件 按逻辑结构 流式文件、记录式文件,第八章 文件系统,8.1 文件系统的概念,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,8.3文件的物理结构与存储设备,8.5 文件目录管理,8.4 文件存储空间管理,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,设计文件逻辑结构的原则 修改方便, 修改时尽量减少文件信息变动 查找迅速, 快速定位文件中的基本信息单位 节约空间,占据最小存储空间 易于操作, 便于用户操作,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,有结构文件 (记录式) :是一组连续顺序的记录的集合。
6、记录:具有特定意义的信息单位. 记录的组成: 逻辑地址、键、属性、属性值等. 定长记录文件和变长记录文件。 无结构文件(字符流式):文件内部不再划分记录，由一组相关信息组成的有序字符流(字节的序列）。 如：源程序、可执行文件、库函数。 在Unix系统中，所有的文件被看作是流式文件。, 文件的逻辑结构,8.2 文件的逻辑结构与存取方法, 文件的逻辑结构,8.2 文件的逻辑结构与存取方法, 记录式文件逻辑结构,连续结构 把记录按生成的先后顺序连续排列,搜索困难 多重结构 把记录按关键字排成多个队列,查找速度慢,8.2 文件的逻辑结构与存取方法, 记录式文件逻辑结构,转置结构 把与同一关键字对应的记
7、录的指针连续地置于该关键字的位置下顺序结构 把记录按关键字规定顺序排列,8.2.2 文件的存取方法,存取方法 顺序存取: 按照文件的逻辑地址顺序存取。 直接存取（随机存取） 按关键字存取: 根据给定关键字或记录名进行存取 关键字搜索方法 线性搜索法 散列法 二分搜索法,第八章 文件系统,8.1 文件系统的概念,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,8.3文件的物理结构与存储设备,8.5 文件目录管理,8.4 文件存储空间管理,文件的物理结构（如何存放） （1）连续文件: 把一个逻辑上连续的文件信息存放在连续编号的物理块中。顺序文件，基于磁带设备.,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的物理结构
8、（1）连续文件优点：在顺序存取时速度较快，常用于存放系统文件缺点：不便文件动态扩充 容易出现碎片。,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的物理结构 （2）串连文件: 把逻辑上连续的文件分散存放在不同的物理块中，这些物理块不要求连续，也不必规则排列,8.3 文件的物理结构与存储设备,优点：消除了顺序结构中必须分给文件若干连续物理块的缺点，易于对文件作扩充、删除。,缺点：文件的各记录分散、查询时需按顺序查找,时间慢，有链接指针，降低磁盘空间的利用率。,8.3 文件的物理结构与存储设备,（2）串连文件,(3) 索引结构：每个文件建立一张索引表，表中存放逻辑块号和物理块号。,8.3 文件的物理结构与
9、存储设备,文件的物理结构,(3) 索引结构 优点: 既可以满足文件动态增长的要求，又可以较为方便和迅速地实现随机存取。,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的物理结构,可扩展为多级索引方式。,缺点：索引表本身带来了系统开销，如：内外存空间，存取时间,(4)多级索引结构：将一个大文件的所有索引表（二级索引)的地址放在另一个索引表（一级索引)中,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的物理结构,(1)顺序存取设备:只有在前面的物理块被存取访问过之后，才能存取后续的物理块的内容。 优点: 容量大，顺序存取方式时存取速度高。 缺点: 按随机方式或键值存取方式存取信息时,效率低,8.3 文件的物理结构
10、与存储设备,文件的存储设备,(2)直接存取设备:允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块。存取一个特定的物理块时，直接移动到所要求的位置上进行存取。 代表设备: 磁盘, 既适合于连续存放，也适合于串联存放和索引存放。磁盘设备上的文件既可以是顺序存取的，也可以是直接存取或按键存取的。,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的存储设备,(2)直接存取设备,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的存储设备,(2)直接存取设备 磁盘机一般由磁盘片组成。 每个磁盘片对应一个装有读/写磁头的磁头臂，磁头臂上的两个读/写磁头分别对磁盘片的上下两面进行读写。 系统在对磁盘进行初始化处理时，把每个磁盘片分割成一些
11、大小相等的扇区。 磁盘转动时经过读/写 磁头所形成的圆形轨迹称为磁道。 把所有磁盘片的相同磁道称为一个柱面. 物理块的位置可用柱面号、磁头号和扇区号表示，这些地址和物理块号一一对应。,8.3 文件的物理结构与存储设备,文件的存储设备,第八章 文件系统,8.1 文件系统的概念,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,8.3文件的物理结构与存储设备,8.5 文件目录管理,8.4 文件存储空间管理,文件存储空间管理实质:是空闲块的组织和管理问题，文件存储设备被分成若干个大小相等的物理块，它包括空闲块的组织，空闲块的分配与空闲块的回收等几个问题。 3种不同的空闲块管理方法： (1) 空闲文件目录 (2) 空
12、闲块链 (3) 位示图,8.4 文件存储空间管理,空闲文件目录,8.4 文件存储空间管理,空闲文件目录：把文件存储设备上的空闲块号统一放在一个称为空闲文件目录的物理块中。 表项：空闲块个数，空闲块号和第一个空闲块号等。,空闲文件目录,8.4 文件存储空间管理,方法：文件分配时，首先扫描空闲文件目录项，找到合适的空闲区项，则分配给申请者, 分配和回收时要修改表项。 空闲文件项方法适用于连续文件结构的文件存储区的分配和回收。,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,文
13、件名 始址 块数,A 0 2 B 14 3 C 19 6 D 28 4 E 6 2,文件目录,A,B,C,D,E,连续文件,空闲块链,8.4 文件存储空间管理,基本思想：把文件存储设备上的所有空闲块链接在一起，当申请者需要空闲块时，分配程序从链头开始摘取所需要的空闲块，然后调整链首指针。回收空闲块时，把释放的空闲块逐个插入链尾上。 常用链接方法： 按空闲区大小顺序链接的方法； 按释放先后顺序链接的方法； 按成组链接法。,文件名 始址 末址,jeep 9 25,文件目录,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,2
14、4,25,26,27,28,29,30,31,1,10,16,-1,25,空闲块链,8.4 文件存储空间管理,把文件存储设备中的所有空闲块按50块划分为一组。组的划分为从后往前顺次划分。 每组的第一块用来存放前一组中各块的块号和总块数。 第一组的块数为49块。 最后一组可能不足50块，且该组的物理块号与总块数放在文件资源表中。,成组链接法,8.4 文件存储空间管理,成组链接法,成组链接法的分配与回收 后进先出原则 （详细过程p210）,位示图法,8.4 文件存储空间管理,基本思想：系统首先从内存中画出若干个字节，为每个文件存储设备建立一张位示图,每个文件存储设备的物理块都对应一个比特位,其值反
15、映每个文件存储设备的使用情况。,第八章 文件系统,8.1 文件系统的概念,8.2 文件的逻辑结构与存取方法,8.3文件的物理结构与存储设备,8.5 文件目录管理,8.4 文件存储空间管理,8.5 文件目录管理,文件目录的主要作用： 实现按名存取 提高检索速度 允许文件同名 允许文件共享,8.5.1 文件的组成,文件包括两部分：文件说明和文件体 文件体指文件本身的信息，它可能是前面各节讨论的记录式文件或字符流式文件。 文件说明有时也叫文件控制块(FCB)，文件名、文件的结构、文件的物理位置、存取控制信息、管理信息（各种时间）等。 文件说明组成文件目录。文件系统利用文件目录完成按名存取和对文件信息
16、的共享与保护。,8.5.2 文件目录,文件目录分类：单级、二级、多级,单级目录 所有文件一张目录表,每个文件占用一项存放说明信息一个文件一个说明表. 读写过程 优点: 简单 缺点: 无法解决命名冲突问题，搜索速度慢，只能连续结构或顺序结构存放 改进,单级目录,8.5.2 文件目录,8.5.2 文件目录,二级目录,二级目录结构中，以用户为单位把各自的文件说明划分为不同的组。不同的组名有关存取控制信息存放在主目录(MFD)的目录项中。 用户文件的文件说明所组成的文件目录被称为用户文件目录(UFD)。,8.5.2 文件目录,二级目录,优点：1)各个用户的文件可以重名.2)便于共享，只要在被共享的文件
17、说明中增加相应的共享管理项和把共享文件的文件说明项指向被共享文件说明项即可。 缺点：1)不能将文件加以分类2)当用户文件较多时，查找效率低,8.5.2 文件目录,8.5.2 文件目录,多级目录,把二级目录的层次关系加以推广形成了多级目录。 在多级目录结构中，除了最低一级的物理块中装有 文件信息外，其他每一级目录中存放的都是下一级 目录或文件的说明信息。 PATH：从根结点出发到某叶结点结束的结点名构成的序列。,8.5.2 文件目录,多级目录,8.5.2 文件目录,多级目录,树形结构多级目录结构的特点： 层次清楚。不同层次、不同用户的文件可以被赋予不同的存取权限，有利于文件的保护。 解决了文件重
18、名问题。只要在同一子目录下的文件名不发生重复，就不会由文件重名而引起混乱 查找搜索速度快。由于对多级目录的查找每次只查找目录的一个子集。,8.5.3 便于共享的文件目录,对于公用文件来说，如果每个用户都在文件系统内保留一份该文件的副本，浪费存储空间。 在文件存储设备上只存储一个文件副本，共享该文件的用户以自己的文件名去访问该文件的副本。 有三种方法可以实现文件共享。即：(1) 绕道法(2) 链接法(3) 基本文件目录表 BFD,8.5.3 便于共享的文件目录,绕道法 方法：用户对所有文件的访问都是相对于当前目录进行的，用户文件的固有名是由当前目录到信息文件通路上所有各级目录的目录名加上该信息文
19、件的符号名组成，返回到与所要共享文件所在路径的交叉点，再顺序下访到共享文件固有名； 特点：要弯路访问多级目录，查找效率不高。,8.5.3 便于共享的文件目录,绕道法,8.5.3 便于共享的文件目录,链接法 方法：将一个目录中的链指针直接指向被共享文件的目录-FCB。 特点：由用户指定被共享文件和被链接的目录,8.5.3 便于共享的文件目录,基本文件目录表BFD 方法：把所有文件目录的内容分成两部分，一部分包括文件的结构信息、物理块号、存取控制和管理信息等，并由系统赋予唯一的内部标识符来标识-基本文件目录表(BFD)另一部分则由用户给出的符号名和系统赋给文件说明信息的内部标识符组成-符号文件目录
20、表(SFD)。特点：可较方便的实现文件共享,采用基本文件目录的多级目录结构,8.5.4 目录管理,问题引入1）目录文件存放在文件存储设备中，存取一个文件时，必须访问多级目录。2）缺点：如果访问每级目录时都必须到文件存储设备上去搜索，浪费CPU处理时间、降低了处理速度，给输入输出设备增加了负担。 解决方法1）在系统初启时，把所有的目录文件读入内存，但需要大内存2）把当前正在使用的文件的目录表目复制到内存,8.6 文件存取控制,8.7 文件的使用,8.8 文件系统的层次模型,第八章 文件系统,8.6 文件存取控制,文件共享：指不同用户共同使用一个文件。 文件保护：指文件本身需要防止文件的拥有者本人
21、或其它用户破坏文件内容。 文件保密：指未经文件拥有者许可，任何用户不得访问该文件。,8.6 文件存取控制,文件存取控制应具有功能：,1）对于拥有读写或执行权限的用户，应让其对文件进行相应的操作。2）对于没有读写或执行权限的用户，应禁止他们对文件进行相应的操作。3）应防止一个用户冒充其他用户对文件进行存取。4）应防止拥有存取权限的用户误用文件。,8.6 文件存取控制,存取控制验证模块程序：,该程序实现用户对文件的存取控制，分三步进行：1、审定用户的存取权限。2、比较用户权限的本次存取要求是否一致。3、将存取要求和被访问文件的保密性比较，看它是否有冲突。,8.6 文件存取控制,验证用户的存取操作常
22、用四种方式,存取控制矩阵、存取控制表、口令、密码四种方法。 存取控制矩阵：1、方法：以一个二维矩阵来进行存取控制，一维是所有用户，另一维是所有文件，对应的矩阵元素则是用户对文件的存取控制。,2、特点：简单、矩阵规模大。,8.6 文件存取控制, 存取控制表： 以文件为单位，把用户按某种关系画分为若干组，同时规定每组的存取权限。,特点：每个文件一张表，简单和效率高，但是要对用户分组，引入了额外开销。,8.6 文件存取控制,口令,两种方式： 1）当用户进入系统时，为建立终端进程时获得系统使用权的口令。 2）每个用户在创建文件时，为每一个创建的文件设置一个口令，且将其置于文件说明中，当任一用户想使用该
23、文件时，必须首先提供口令，只有在两者一致时才能使用文件。 特点：简单和保密性差,密码方式方法：在用户创建源文件并将其写入存储设备时对文 件进行编码加密，在读出文件内容时对其进行译码解密。显然，只有能被进行译码解密的用户才能读出被加密的文件信息，从而起到文件保密的作用。特点：密性强；编码解密工作要耗去大量的处理时间。,8.6 文件存取控制,8.6 文件存取控制,8.7 文件的使用,第八章 文件系统,8.7 文件使用,文件系统以系统调用方式或命令方式为用户提供下列服务：1、关于设置和修改用户对文件的存取权限的服务；2、关于建立、改变、删除目录的服务；3、关于文件的共享、设置访问路径的服务；4、创建
24、、打开、读写、关闭、以及撤销文件的服务。,不同的操作系统，调用名、参数及命令形式各不相同,练 习,若有甲乙两个用户，甲用户有文件A,B，乙有文件A、C、D，甲用户的文件A与乙用户的文件A不是同一个文件，甲用户的文件B与乙用户的文件C是同一个文件，请设计一个目录组织方案，并画图说明。 解：本题有两个文件同名和两个文件的共享问题，因此文件目录的组织方案应改为二级目录结构，如图。,例题,【09年考研28题】下列文件物理结构中，适合随机访问且易于文件扩展的是 ( ) A连续结构 B.索引结构 C. 链式结构且磁盘块定长 D.链式结构且磁盘块变长 【09年考研30题】文件系统中，文件访问控制信息存储的合
25、理位置是（ ） A文件控制块 B.文件分配表 C.用户口令表 D.系统注册表,B,A,例题,【10年考研30题】设文件索引节点中有7个地址项，其中4个地址项为直接地址索引，2个地址项是一级间接地址索引，1个地址项是二级间接地址索引，每个地址项大小为4字节若磁盘索引块和磁盘数据块大小均为256字节，则可表示的单个文件的最大长度是（ ）A.33KB B.519KB C.1057KB D.16516KB 【10年考研31题】设置当前工作目录的主要目的是（ ）A.节省外存空间 B.节省内容空间C.加快文件的检索速度 D.加快文件的读写速度,C,C,作 业,P222 8.1, 8.3, 8.7, 8.11,
