【知识总结】第四章-文件管理

文件

基本概念

文件：以硬盘为载体存储在计算机中的信息集合，是用户输入输出的基本单位
文件系统：维护和管理文件，并向用户提供系统调用，如建立、打开、关闭、撤销、读写等
基本数据项：最小逻辑数据单元、原子数据，比如一个对象某个属性的一个值
组合数据项：多个基本数据项组成
记录：数据项的集合，描述一个对象的某个属性
文件的划分
- 记录式：由相似的记录组成
- 流式：看作是字符流
文件的属性

文件元数据

即文件的属性，包括

名称
标识符：一般是数字，文件的唯一标签，用户不可见
类型
位置
大小：当前大小值或允许的最大值
保护
时间：创建的时间
日期：上次修改的日期
用户标识：上次访问的相关信息

索引节点

文件控制块FCB：存放控制文件的有关信息（文件元数据）的数据结构，每个文件唯一对应一个FCB
FCB内容
- 基本信息：文件名、位置、逻辑结构、物理结构等
- 存取控制信息：存取权限等
- 使用信息：文件建立时间、修改日期
文件目录：FCB的集合
文件目录项：即FCB
索引结点（inode）：因为文件检索只需要文件名，所以把FCB中的文件名信息和其他信息分开；其他信息打包成索引结点，存放在索引结点表中；文件目录项只存放文件名、索引结点编号（结点指针）
磁盘索引结点（磁盘inode）：包括标识符、类型、存取权限、地址、文件长度、链接次数、文件最近存取时间、索引结点最近修改时间
内存索引结点（活动inode）：在磁盘索引结点基础上，增加了
- 编号：标识内存索引结点
- 状态：是否上锁或修改
- 进程访问次数
- 逻辑设备号
- 链接指针：包括指向空闲链表的指针和指向散列队列的指针

文件的操作

创建（create系统调用）
- 输入文件名、文件路径、大小空间
- 在外存中找到存储空间
- 根据文件路径找到目录表，在目录表中创建目录项
删除（delete系统调用）
- 输入文件名、文件路径
- 根据文件路径找到目录表
- 根据文件名在目录表中找到目录项并删除
- 回收磁盘存储空间
打开（open系统调用）
- 输入文件名、文件路径、打开后的操作（读或写等模式）
- 根据文件路径找到目录表
- 根据文件名在目录表中找到目录项
- 根据目录项检查打开权限
- 把文件目录项（文件属性）从外存复制到内存的打开文件表中
  - 系统打开文件表：系统记录所有打开的文件，每一项为文件的FCB和进程数量
  - 进程打开文件表：进程记录自己打开的文件，每一项为文件对应在系统打开文件表中的位置指针
- 把系统打开文件表对应表项的索引指针（unix叫文件描述符，windows叫文件句柄）返回给用户
关闭（close系统调用）
- 输入文件名、文件路径
- 文件打开计数器（记录多少个进程打开此文件）减1，减到0说明此文件需要关闭
- 文件修改的部分写回外存
- 将打开文件表相应表项删除
- 回收分配给该文件的内存空间
读（read系统调用）
- 输入文件名（一般是打开文件表的索引）、读出数据大小、读出数据的位置
- 把文件中对应大小的数据读出到相应位置
写（write系统调用）
- 输入文件名（一般是打开文件表的索引）、写入数据大小、写入数据的位置
- 把相应位置对应大小的数据写入到文件中
重定位：文件位置设为指定值
截断：文件长度设为0并释放文件存储空间，其他文件属性不变

文件的保护

访问类型

读
写
执行
添加
删除
列表清单

访问控制

访问控制表法
- 每个文件设置一个访问控制列表ACL，规定每个用户名的允许访问类型
- 考虑表长无法预计，可以精简访问列表，文件创建时FCB中只记录文件主（文件的创建者）名、文件主所在组名（组用户和文件主权限相同）
  - 用户类型：文件创建者、组用户、其他用户
  - 访问文件的用户类型：根据访问者是否在组中，确定访问权限为组用户或其他用户
口令法
- 文件创建时在FCB中存入口令
- 访问文件需要提供口令
- 开销小，但口令直接保存在系统内（没有任何加密解密的过程），不够安全
密码法
- 文件创建时进行加密
- 访问文件需要使用密钥
- 安全，但加密解密需要一定开销

文件的逻辑结构

流式文件（无结构文件）
- 以字节为单位，可以看成字符流
- 比如源文件、目标代码文件
记录式文件（有结构文件）
- 顺序文件
  - 文件记录定长，按顺序排列。
  - 按时间顺序叫做串结构；按关键字顺序叫顺序结构
  - 批量记录修改效率高；单个记录修改效率低
- 索引文件
  - 每个文件需要一个索引表，该表本身为顺序文件
  - 索引表的表项包括：索引号、长度、指针（指向逻辑文件索引号对应位置）
- 索引顺序文件
  - 把文件所有记录分组，每组的第一个记录作为索引项建立索引表
  - 索引表的表项为每组第一个记录的关键字和逻辑位置
  - 查找时先查索引表确定组起始位置，组内顺序查找
- 直接文件（散列文件）
  - 给定记录关键字直接确定其物理地址
  - 注：这种也可以认为是物理结构，不同教材并不一致

文件的物理结构

连续结构（顺序结构）
- 连续分配方式，逻辑上连续的信息在物理上也连续
- FCB中保存起始物理地址、物理块数
- 优点是可随机访问，只需要访问磁盘一次；缺点是文件连续存储，不容易动态扩充，有外部碎片
链接结构（串联结构、连接结构）
- 链接分配方式（属于离散分配方式），逻辑上连续的信息在物理上离散
- 隐式链接
  - FCB保存文件首尾盘块的物理地址
  - 文件中间盘块的后继地址用户不可见，用户只能顺序访问，需要多次访问磁盘
  - 无外部碎片
- 显式链接
  - FCB保存文件首盘块的物理地址
  - 整个磁盘只设置一张文件分配表FAT（操作系统可见），表项包括盘块号和后继地址
  - FAT表项的后继地址有额外的功能，比如为-1表示无后继处于文件尾；为-2说明磁盘块空闲
  - FAT在系统启动后读入内存，顺着链查找时不用访问磁盘，可以理解为支持随机访问，检索速度快
  - 无外部碎片
索引结构
- 索引分配方式（属于离散分配方式），逻辑上连续的信息在物理上离散
- FCB保存文件的索引块的磁盘物理块号（块的第i行指向文件的第i个物理块的磁盘地址）
- 创建文件时，索引块指针全空；写入文件第i个块要修改文件的索引块的第i行地址
- 支持直接访问，但是需要先访问磁盘查索引块
  - 可以将索引块读入内存缓冲区，加快后续访问
- 无外部碎片
- 索引块大小通常为一个磁盘块。因为其额外占了磁盘的连续存储空间，不能太大；为了支持大文件也不能太小。解决方法有
  - 链接索引：多个索引块链接成不连续的大索引表
  - 多级索引：比如二级索引指，索引块指向二级索引块，二级索引块指向文件块
  - 混合索引：以unix为例，在FCB（inode）中，保存了10个直接地址（文件物理块号）、1个一级间址（一级索引）、1个二级间址（二级索引）等，可以满足不同大小文件的需求
直接结构（散列结构）
- 给定记录关键字直接确定其物理地址
- 注：这种也可以认为是逻辑结构，不同教材并不一致

目录实现方式：
- unix方式
- 即目录项包括文件名、索引结点的指针
- 索引结点包含FCB除了文件名外的其他文件属性，如文件物理地址
文件共享
- 基于索引结点
- 不同用户目录的目录项的索引结点指针指向同一个文件的索引结点
索引结点中还需要包含链接计数器count，记录被多少个索引结点指针指向
- 文件创建时，count=1
- 用户删除文件时，count减1，减到0才真正删除文件

软链接

文件共享
- 基于符号链接
- 创建LINK类型的文件（快捷方式文件），和希望共享的目标文件同名，文件内容是目标文件的路径（即符号链）
- 其他用户先通过目标文件路径，找到对应目录项的索引结点指针，再访问目标共享文件
目标文件的拥有者删除目标文件，其他用户无法用软链接访问
缺点
- 删除共享文件并重建一个同名同路径的文件，其他共享用户依然可以访问这个文件
- 需要根据路径多次查目录访问磁盘，速度比硬链接慢
- LINK的索引结点要占一定磁盘空间
优点：应用于网络共享，提供网络地址和文件路径即可

软硬链接共同点

共同的缺点：每个共享文件都有自己的文件名，遍历文件系统会多次访问共享文件
都是静态共享方法（动态共享指的是多个进程对同一个文件的共享）

目录查询

不同于目录结构，本节关注的是，在当前路径下的目录中，查找目录项的方式

线性表方式（线性查找）
- 创建新文件先检查同名，然后表尾加入目录项
- 删除文件则按名搜索，释放空间
- 具体的存储结构可以是顺序结构或链式结构
哈希表方式（哈希查找）
- 优点是查找迅速，插入删除简单
- 缺点是哈希表长固定，哈希函数对表长的依赖性

注：目录查找时为了减少磁盘访问，可以先把当前目录复制到内存。

文件系统

文件系统的全局结构

外存中的结构

磁盘整体结构
- 第一个扇区为MBR，其余为若干磁盘分区
- MBR尾部是分区表，给出磁盘各个分区首尾地址
磁盘各分区内结构
- 引导块PBR：第一个扇区
- 超级块：存放文件系统关键参数
- 空闲空间管理块
- 索引节点表（inode表）
- 根目录
- 文件和目录

内存中结构

各资料中都未找到对应内容，待补充
可能包括文件分配表、文件打开表等相关概念

文件系统层次结构

第0级：用户调用接口
- 文件系统向用户提供和文件及目录有关的调用
第1级：文件目录系统
- 管理文件目录
第2级：存取控制验证模块
- 文件保护，验证访问控制权限
第3级：逻辑文件系统和文件信息缓冲区
- 获得文件逻辑地址（逻辑块号）
第4级：物理文件系统
- 获得文件物理地址
辅助分配模块
- 分配和回收外存空间
设备管理程序模块
- 进行设备管理，比如分配设备读写缓冲区、磁盘调度、启动设备、释放设备等

外存空闲空间管理办法

空闲表法
- 操作系统把空闲盘区（即连续的空闲块）记录到空闲表中，表项为序号、空闲盘的第一个块号、空闲盘块数
- 类似于内存动态分配，可以采取首次适应策略、循环首次适应策略等
- 内存回收时考虑邻接区的合并
空闲链表法
- 空闲盘块链
  - 基本单位为一个磁盘块，盘块内尾部保存后继指针，串成链
  - 操作系统保存链头指针、链尾指针
  - 一个盘块的分配回收简单，分配从链头拿，回收放入链尾
  - 一个文件分配空间需要多次操作
- 空闲盘区链
  - 基本单位为一个盘区，盘区内尾部保存后继指针，串成链，盘区内还保存本区的盘块数
  - 操作系统保存链头指针、链尾指针
  - 分配时采用首次适应，没有足够大的盘块就分配若干小盘区
  - 回收时放入链尾，需要考虑合并问题
位示图法
- 比特位排成二维矩阵，每个比特对应一个磁盘块是否空闲
- 分配时按顺序在位示图中找0比特空闲块，根据位置确定磁盘块号，把比特位设置为1
- 回收时，根据磁盘号算出位示图的行列位置，比特位设置为0
- 注意矩阵的行列号与磁盘块号默认从1开始，也可能题目明确指出从0开始
成组链接法
- 操作系统将空闲盘块（可以不相邻）分组。
- 每组第一个盘块是一张索引栈，索引下一组的所有空闲块，且保存下一组的空闲块数
- 第一组只有一个盘块（索引栈），称为超级块，在文件操作前一般先读入主存
- 分配时
  - 如果超级块索引的第二组中，有至少2个空闲块，则按出栈顺序取1个空闲块
  - 如果超级块索引的第二组中，只有一个索引栈空闲块，则把该块复制入超级块，并把该块分配出去，组数减1
- 回收时
  - 如果超级块索引的第二组的空闲块数未达到超级块的最大容量，则回收块以入栈顺序由超级块索引，放入第二组
  - 如果超级块索引的第二组的空闲块数达到了超级块的最大容量，则超级块复制入回收块，并把超级块索引向该回收块，此时第二组只包含一个空闲索引块（内容是原超级块），组数加1
- 该方法解决了空闲表和空闲链表过长的问题，可以结合下图理解

虚拟文件系统

虚拟文件系统（VFS）是用户进程和底层各文件系统（如网络文件系统、日志文件系统）之间的抽象层
VFS的作用是适配底层各文件系统，隐藏下层实现细节，为上层服务提供接口
VFS只存在于内存，在系统启动时建立，在系统关闭时消亡，是内核的软件层
下面是VFS的示意图

文件系统挂载

文件系统挂载：把新的文件系统关联到当前根文件系统
mount（挂载命令）：在指定目录（挂载点）附加文件系统
挂载点
- 是挂载文件系统的访问入口，必须已经存在
- 一般是不被进程使用的目录
- 挂载后的目录的原有文件临时隐藏
unmount（卸载命令）：把文件系统和当前根文件系统移除关联

吴紫航

【知识总结】第四章-文件管理

文件

基本概念

文件元数据

索引节点

文件的操作

文件的保护

访问类型

访问控制

文件的逻辑结构

文件的物理结构

目录

基本概念

树形目录

目录的操作

文件共享

硬链接

软链接

软硬链接共同点

目录查询

文件系统

文件系统的全局结构

外存中的结构

内存中结构

文件系统层次结构

外存空闲空间管理办法

虚拟文件系统

文件系统挂载