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文件系统#xff08;1#xff09;
第一节文件系统的基本概念
一、文件系统的任务
二、文件的存储介质及存储方式
三、文件的分类
第二节 文件的逻辑结构和物理结构
一、文件的逻辑结构
二、文件的物理结构
文件系统#xff08;2#xff09;
第三节 文件目…目录
文件系统1
第一节文件系统的基本概念
一、文件系统的任务
二、文件的存储介质及存储方式
三、文件的分类
第二节 文件的逻辑结构和物理结构
一、文件的逻辑结构
二、文件的物理结构
文件系统2
第三节 文件目录
一、文件控制块
二、文件目录和当前目录
编辑二、文件目录和当前目录
三、目录项和目录文件
四、目录项分解法
五、UNIX的文件目录结构
编辑编辑六、FAT文件系统的实现
第四节 文件存储空间管理
一、磁盘空间管理
二、磁盘空间的分配与回收算法
三、空闲块成组链接法
文件系统3
第五节 实现文件系统的表目
一、系统打开文件表
二、用户打开文件列表
第六节 文件及目录的操作
一、典型的文件操作
二、典型的目录操作
第七节 文件系统的性能
一、磁盘高速缓存
编辑 二、RAID技术
第八节 文件共享、保护和保密
一、文件共享
编辑 二、文件的保护
编辑编辑 三、UNIX的文件使用权限管理方案
四、文件的保密措施 文件系统1
第一节文件系统的基本概念
一、文件系统的任务
1.文件的定义 1研究文件系统的两种观点 用户观点关心文件由什么组成如何命名如何保护文件可以进行何种操作。 系统观点文件目录是怎么实现的怎样管理存储空间文件存储位置磁盘实际运作方式存取速度磁盘利用率等等。 2文件的定义一组带标识的、在逻辑上有完整意义的信息项的序列。 3读写指针读指针用来记录文件当前的读取位置写指针用来记录文件当前的写入位置。 4特点存储在磁盘可长期保存 2.文件系统的定义文件系统是操作系统统一管理信息资源的一种软件。它管理文件的存储、检索、更新提供更安全的共享和保护手段并且方便用户的使用。 功能1统一管理文件的存储空间实施存储空间的分配与回收 2实现文件按名存取以对用户透明的方式管理名字空间 3实现文件信息的共享并提供文件的共享和保密措施。 4向用户提供一个方便使用的接口 5系统维护及向用户提供有关信息 6保持文件系统的执行效率 7提供与I/O的统一接口
二、文件的存储介质及存储方式
1.外存储设备的特点 特点容量大、断电后仍可保存信息 组成驱动部分和存储介质部分 种类磁盘、磁带、磁鼓、纸带、光盘、闪存 2.外存储设备的存储介质 1磁带 特点容量大存取速度慢适合顺序存储 2磁盘 分类软盘和硬盘 特点容量大成本低适合随机存储指可以随意读取指定记录 磁盘的物理地址由柱面号、磁头号、扇区号组成图中的扇面指的是扇区 3光盘是利用在激光的作用下特性发生变化的一些材料制成的非磁性记录介质。 特点容量大、速度快、价格便宜 4闪存 特点电擦除随机存储、可靠性高、寿命长 3.文件在存储设备中的存储方式 顺序存储按从前到后的次序依次访问文件的各个信息项。 随机存储又称直接存储允许用户按任意的次序、直接存取文件中的任意一个记录或者根据存取命令把读写指针移到文件中的指定记录处读取。
三、文件的分类
1.按文件的用途分类1系统文件2库函数文件3用户文件 2.按文件的组织方式分类1普通文件2目录文件保存目录信息的文件3特殊文件如键盘、鼠标、打印机可比作一个特殊的文件
3.一些常见的文件分类方式 1)按文件的保护方式只读文件、读写文件、可执行文件、无保护文件 2按信息的流向分输入文件、输出文件、输入输出文件 3按存放时限分临时文件、永久文件、档案文件 4按存储介质分磁盘文件、磁带文件、卡片文件等 5按文件的组织结构分类逻辑文件、物理文件 4.UNIX类操作系统中文件的分类1普通文件2目录文件3特殊文件
第二节 文件的逻辑结构和物理结构
文件的逻辑结构从用户观点出发所观察到的文件组织形式 文件的物理结构又称为文件的存储结构。是指系统将文件存储在外存上所形成的一种存储组织形式是用户不能看见的。
一、文件的逻辑结构
1.设计文件逻辑结构的原则1易于操作2查找快捷3修改方便4空间紧凑 2.文件的逻辑结构文件的逻辑结构所描述的信息是文件中信息的组织形式可分为两类 1流式文件有序字符的集合基本单位是字符源程序、目标代码等属于流式文件 2记录文件是一组有序记录的集合基本单位是记录。又可分为定长记录文件和变长记录文件。如数据库表记录各记录内容长度相同称为定长记录长度不同称为变长记录 二、文件的物理结构
1.顺序结构 1顺序结构原理又称连续结构它把逻辑上连续的文件信息依次存放在连续编号的物理块中。 如图7-5所示 2顺序结构的优缺点 ①优点1、存取速度快一旦知道了文件在存储设备上的起始块号和文件长度便能快速进行存取。 2、支持顺序存放和随机存取 ②缺点1、文件不能动态增长2、要求为一个文件分配连续的存储空间3、不能灵活地删除和插入记录4、出现碎片
2.链接结构 1链接结构原理将逻辑上连续的文件分散存储在若干个不连续的物理块中。每个物理块中设有一个指针指向其后续的物理块。图7-6所示 2链接结构的优缺点 ①优点1、解决了碎片问题提高了磁盘空间利用率 2、文件可以动态扩充 ②缺点1、存取速度慢不适于随机存储适合顺序存储 2、可靠性差如某个块坏掉了关联的文件记录无法找到 3.索引结构 1索引结构原理为每个文件分配一个索引块表把分配给该文件的所有盘块号都记录在该索引块中。 如图7-7所示 2索引结构的优缺点 ①优点1、文件动态增长2、不要求为一个文件分配连续的存储空间3、能灵活的删除和插入记录4、能顺序存取和随机存取 ②缺点1、引起较多的寻道次数和寻道时间2、索引表本身增加了存储空间的开销 3多级索引当文件太大其索引块太多时单级索引方式过于低效。此时应为这些索引块再建立一级索引称为第一级索引即系统再分配一个索引块作为第一级索引的索引块将第一块、第二块……等索引块的盘块号填入到此索引表中这样便形成了两级索引分配方式。如果文件非常大时还可用三级、四级索引分配方式。即一级索引存二级索引信息二级索引存磁盘块号 文件系统2
第三节 文件目录
一、文件控制块
1.文件控制块为文件设置的用于描述和控制文件的数据结构。文件管理程序可借助于文件控制块中的信息对文件施以各种操作。 2.文件目录文件控制块的有序集合文件与文件控制块一一对应称为文件目录一个文件控制块就是一个文件目录项。 3.文件控制块的内容 1基本信息类文件名、文件物理位置、文件逻辑结构、文件的物理结构。 2存取控制信息类文件的存取权限、核准用户的存取权限以及一般用户存取权限。 3使用信息类文件的建立日期和时间、文件上一次修改的日期和时间、当前已打开该文件的进程数、是否被其它进程锁住、文件在内存中是否已被修改但尚未拷贝到盘上等。
二、文件目录和当前目录
1.一级目录结构如图7-10所示 优点简单且能实现目录管理的基本功能--按名存取。 缺点查找速度慢、不允许重名 2.二级目录结构为改变一级目录文件目录命名冲突并提高对目录文件检索速度而将目录分为两级一级称为主文件目录给出用户名用户子目录所在的物理位置二级称为用户文件目录给出该用户所有文件的FCB文件控制块。如图7-11所示 优点解决了文件的重名问题和文件共享问题提供搜索速度查找时间降低。 缺点不太适合大量用户和大量文件的大系统增加了系统开销。 3.多级目录多级目录结构也称树形结构产生于UNIX操作系统已被现代操作系统广泛使用。如图7-13所示 优点层次结构清晰便于管理和保护有利于文件分类解决重名问题提高文件检索速度能进行存取权限的控制。 缺点查找一个文件按路径名逐层检查由于每个文件都放在外存多次访盘影响速度。
二、文件目录和当前目录
4.当前目录当前正在使用的目录也称工作目录或值班目录。 目录检索用户访问文件时需要进行目录检索这时用户给出文件名系统按名寻找目录项文件控制块。 检索方法全路径名绝对路径名、相对路径。
三、目录项和目录文件
1.目录项一个文件控制块做成一个定长记录这个记录称为目录项。 2.目录文件多个文件的文件控制块集中在一起组成了文件的目录。文件目录以文件的形式保存该文件称为目录文件。
四、目录项分解法
1.目的加快目录检索速度 2.分解目录项分解成两部分符号目录项次部和基本目录项主部。 符号目录项包含文件名和文件号 基本目录项除文件名以外的FCB的其他全部信息 3.优点减少磁盘的访问次数提高文件目录检索速度。 五、UNIX的文件目录结构
1.i结点的引入文件目录通常是存放在磁盘上的可能要占用大量的盘块。在查找目录的过程中需要多次启动磁盘。 UNIX系统采用了把文件名与文件描述信息分开的办法亦即使文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构简称为i结点。 2.i结点的内容文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间等。 3.物理结构三级索引结构图7-8所示
六、FAT文件系统的实现
FAT的含义文件分配表--File Allocation Table最初为DOS系统设计适合小容量的磁盘分配给文件的所有盘块号都放在该表中 三个版本FAT-12、FAT-16、FAT-32
第四节 文件存储空间管理
一、磁盘空间管理
基本思想对于磁盘空间的分配和回收的方法。
二、磁盘空间的分配与回收算法
2.空闲块表 3.空闲块链 三、空闲块成组链接法
1.成组链接的含义文件区中的所有空闲盘块被分成若干个组比如将每100个盘块作为一组。 将每一组含有的盘块总数N和该组所有的盘块号记入其前一组的第一个盘块中。这样由各组的第一个盘块可链成一条链。如图7-22所示 2.成组链接法的分配在空闲块链中不足100块的组通常放在内存专用块中系统初始化时先把专用块内容读到内存中需要分配时就直接在内存中找到那块是空闲的然后进行分配空闲块数减1如果这一组的第一个空闲块也需要分配在分配之前先把其保存的下一组空闲盘块号读入内存中再分配出去依次类推。 3.成组链接法的回收归还一个空闲盘块时把要归还的块号登记在当前组中空闲数加1如果当前组已满100块则把这100个块号写到要归还的那块中该块就称为该组的第一块。 4.成组链接法的优点分配和回收空闲块时均在内存中查找和修改只有在一组空闲块分配完成或空闲的磁盘块构成一组时才需要启动磁盘读写效率高能快速找到大量空闲盘块的地址UNIX采取这种方案。 文件系统3
第五节 实现文件系统的表目
一、系统打开文件表
专门用来保存已打开文件的文件控制块通常放在内存。 共享计数记录有多少个进程同时打开该文件。 修改标志指文件控制块或i结点的内容是否被修改过如果修改过则关闭文件时要将文件控制块写回磁盘。 二、用户打开文件列表
每个用户都有一个“用户文件打开表”其位置记录在PCB中以UNIX为例内容如下
第六节 文件及目录的操作
一、典型的文件操作
1.建立文件 2.打开文件 3.读文件 4.写文件 5.关闭文件 6.删除文件
二、典型的目录操作
以UNIX系统为例 1.创建目录creat 2.打开目录opendir 3.读目录readdir 4.创建链接link 5.删除链接ulink 6.修改目录名rename 7.关闭目录closedir 8.删除目录delete
第七节 文件系统的性能
一、磁盘高速缓存
基本思想系统在内存中保存一些磁盘块这些磁盘块在逻辑上属于磁盘内存的这一区域被称为块高速缓存。 运行时系统检查所有的读请求查看文件块是否在高速缓存在则读不在首先启动磁盘将所需块读到高速缓存再复制到其他内存区域。若高速缓存已满按照淘汰算法选择较少使用的磁盘块换出。 块高速缓存要定期写回磁盘以保存对磁盘块的修改。 文件系统一致性问题如果在修改过的磁盘块写回磁盘之前系统出现故障则文件系统有可能会处于不一致状态。特别是一些未被写回的块是i结点、目录块、或者包含空闲表的磁盘块时问题尤为严重。这一问题称为文件系统一致性问题。 高速缓冲的典型应用记录的成组 1.记录的成组把若干个逻辑记录合成一组存储到一个物理块的工作称为记录的成组。每块中的逻辑记录个数称为“块因子”。 实现原理信息交换以块为单位故成组需要使用内存缓冲区来完成。缓冲区的长度记录的长度*块因子。 图7-26所示 2.记录的分解 优点提高了磁盘利用率减少了启动磁盘的次数提高系统工作效率。 要考虑的因数定长记录和不定长记录 二、RAID技术
RAID是英文Redundant Array of Independent Disks的缩写中文简称为独立冗余磁盘阵列。 简单的说RAID是一种把多块独立的硬盘物理硬盘按不同的方式组合起来形成一个硬盘组从而提供比单个硬盘更高的存储性能和提供数据备份技术。 好处主要有以下三种①通过把多个磁盘组织在一起作为一个逻辑卷提供跨越功能②通过把数据分成多个数据块Block并行写入/读出多个磁盘以提高访问磁盘的速度③通过镜像或校验操作提供容错能力 RAID技术经过不断的发展现在拥有了从RAID 0到7八种基本的RAID级别。另外还有一些基本RAID级别的组合形式如RAID10RAID 0与RAID 1的组合RAID 50RAID 0与RAID 5的组合等。不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据安全性和存储成本。
第八节 文件共享、保护和保密
一、文件共享
1.文件共享的概念文件共享是指一个文件可以允许多个用户共同使用。 2.文件共享的分类从共享时间段上看共享文件有两种使用情况1文件可以同时使用2)文件不允许同时使用 在文件共享具体方式上有三种共享方式1文件被多个用户使用由存取权限控制2文件被多个用户使用但分别用自己的读写指针3文件被多个程序使用但共享读写指针 3.文件共享的实现方法 多级目录结构常用的是连接法分两种1允许目录项连接到任一表示文件目录的结点上。 2只允许连接到表示普通文件的结点上如图7-29所示。 二、文件的保护
影响文件安全性的主要因素 1人为因素人们有意或无意的行为会使文件系统中的数据遭到破坏或丢失 2系统因素由于系统的某部分出现异常情况而造成数据的破坏或丢失特别是作为数据存储主要介质的磁盘一旦出现故障会产生难以估量的影响 3自然因素随着时间的推移存放在磁盘上的数据逐渐消失。 为确保文件系统的安全性可采取的措施 1建立副本即把同一个文件保存到多个存储介质上。 2定时转储即每个一定时间就把文件转储到其他存储介质上。 3规定文件的存储权限。可采用树形目录结构和存储控制表两种方法。 三、UNIX的文件使用权限管理方案
3.UNIX中的文件存取权限UNIX中对文件的存取权限划分为两级。 在第一级别中对访问者或者用户进行分类识别。将用户分为文件主owner、文件组的同组用户other、其他用户other 在第二级中对文件操作权限的权限设置。包括读r、写w、执行x不执行任何操作-。
四、文件的保密措施
文件保密的目的是防止不经文件拥有者授权而窃取文件。 常用的文件保密措施有以下几种1.隐蔽文件目录2.设置口令3.使用密码文件加密4.病毒防范
