操作系统文件管理.ppt

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1、第八章 文件管理,8.1 文件与文件系统,8.2 文件的结构及文件存取方式,8.3 文件管理,8.4 文件的共享和保护,8.1 文件与文件系统,所有的计算机应用程序都要：存储信息，检索信息 三个基本要求：能够存储大量的信息 长期保存信息 可以共享信息,8.1 文件与文件系统,解决方法：把信息以一种单元，即文件的形式存储在磁盘或其他外部介质上文件是通过操作系统来管理的，包括：文件的结构，命名，存取，使用，保护和实现方法,8.1 文件与文件系统,用户观点：文件系统如何呈现在其面前：一个文件由什么组成，如何命名，如何保护文件，可以进行何种操作等等操作系统观点：文件目录怎样实现，怎样管理存储空间，文件

2、存储位置，磁盘实际运作方式(与设备管理的接口)等等,一、文件,8.1 文件与文件系统,1、文件 计算机系统中数据的一种组织形式，具有一定名称的一组相关信息的集合，通常存储在外部存储介质上。,文件是一个抽象机制，它提供了一种把信息保存在存储介质上，而且便于以后存取的方法，用户不必关心实现细节。,8.1 文件与文件系统,2、文件名,每个文件都有一个文件名，用户按名存取，通过文件名来存取文件，而不必关心文件的具体存储方法、物理位置。各种文件系统的文件命名规则不同：文件名长度（DOS8.3,NTFS可达255,ext2无限制）是否区分文件名大小写（FAT不区分,ext2区分）大多规定只能用ASCII字

3、符命名文件，而NTFS就可以使用更广泛的Unicode。对文件名后缀有特定的解释（DOS、Windows），UNIX则无统一的规定。,8.1 文件与文件系统,3、文件属性,一个文件包括2部分：文件体 即文件的内容文件体的内容丰富，可以是源程序、可执行代码、数据、表格、语言或图像等。文件属性 关于文件本身的说明信息不同的文件系统有不同的文件属性，常用的文件属性有：文件名 文件最基本属性文件物理位置 哪个设备、什么位置文件存取权限 多用户系统中用，Linux中rwx。文件长度 字节文件时间 初创时间、最后修改时间等.,8.1 文件与文件系统,4、文件类型,按性质和用途区分：系统文件：系统程序，用户

4、只有执行权 库文件：标准子程序组成库文件，用户可调用 用户文件：用户开发的软件按保护性质区分：只读文件 读写文件 可执行文件按文件管理方法和内容区分：普通文件：是无结构的字符的集合。目录文件：由文件的目录项组成的文件。特殊文件（设备文件）UNIX等把设备作为文件,二、文件系统,8.1 文件与文件系统,即文件管理系统，是操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用。由以下三者构成的总体对文件进行操作和管理的软件被管理的文件文件管理所需要的数据结构（目录、索引表等）,8.1 文件与文件系统,文件系统功能：(1)统一管理文件的存储空

5、间，实施存储空间的分配与回收(2)实现文件的按名存取 名字空间 映射 存储空间,(3)实现文件信息的共享，并提供文件的保护和保密措施(4)向用户提供一个方便使用的接口（提供对文件系统操作命令，以及提供对文件的操作命令：信息存取、加工等）,8.1 文件与文件系统,(5)文件系统的执行效率 文件系统在操作系统接口中占的比例最大,用户使用操作系统的感觉在很大程度上取决于对文件系统的使用效果.(6)提供与I/O的统一接口,8.2 文件的结构及文件存取方式,一、文件结构,文件结构：以什么样的形式组织一个文件文件有两种结构：逻辑结构：从用户观点出发观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，独

6、立于文件的物理特性物理结构：从系统存储角度组织的文件结构，即文件以什么形式存放在外存中,8.2 文件的结构及文件存取方式,文件的逻辑结构有2种形式：字符流式文件:无结构文件 以字符为操作对象文件内容仅是有序的字符集合，其内部并不对内容进行特定的组织 记录式文件 有结构文件 文件由若干个相关记录组成。用户把每个文件划分为若干个记录单位，存取文件时以记录为单位来进行。（数据库文件最为典型）,1、文件的逻辑结构 从用户角度看文件，研究文件的组织形式,8.2 文件的结构及文件存取方式,2、文件的物理结构,文件在外存中的存放形式，即为文件的物理结构常用的外存分配方式有3种：顺序结构串联结构索引结构,8.

7、2 文件的结构及文件存取方式,1）.顺序结构,最简单方式。每个文件在磁盘上占据一个完整并连续的空间。对于这类文件，每个文件空间是连续的。,0,15,16,31,8.2 文件的结构及文件存取方式,优点：实现简单，存取速度快。缺点：建立文件时要为它分配连续地址空间，较难实现；文件动态增长困难；反复增删以后，磁盘碎片多,只适用于长度固定的文件。,8.2 文件的结构及文件存取方式,2）.串联结构（链接结构）,文件存放在硬盘的不连续的物理块中，并在每一块中包含一个指针，指向下一个物理块所在的位置，最后一块的指针值是“-1”，表示文件到此结束。这些指针对用户是透明的。在这种文件系统中，目录项通常包括文件名

8、、文件的起始块号和结束块号。,hello.c 共占6块 2 5 10 25 19 4,0,15,31,16,8.2 文件的结构及文件存取方式,DOS文件系统采用这种方法。优点：无外部碎片；每一个空闲块都能用来分配只要有空闲块存在，文件的增长很容易实现缺点：须多次读写磁盘，寻找盘块；指针要占用空间。,8.2 文件的结构及文件存取方式,DOS文件系统采用的串联结构FAT,文件名：A首簇号：13,161815FFF,12,13,14,15,16,17,18,19,FAT,数据区 簇号：12 13 14 15 16 17 18,目录表,文件A占用了外存的13、16、15、18共四个簇目录指出了文件首簇

9、号FAT指出了文件链接路径两者结合表明了文件数据的具体存放位置,文件链接结束标志,8.2 文件的结构及文件存取方式,3）.索引结构,文件存放到硬盘的不连续的物理块中，系统为每个文件建立一个索引表。其中按物理块的存放顺序记录了这些物理块号。其目录可包括文件名、文件索引块的地址。,0,15,16,31,盘块20存放索引文件，其内容：2、7、13、16、27、-1 hello.c占用了5块,20,8.2 文件的结构及文件存取方式,优点：避免外部碎片；文件增长不受限制；支持对任何一个文件块的直接访问。缺点：多了索引块，则增加了系统空间开销；存取文件需要2次访问外存（先读取索引块，再读取具体的数据块），

10、增加了时间开销，降低了文件存取速度。,8.2 文件的结构及文件存取方式,直接寻址,a：一级间址,文件数据块,一次索引块,二次索引块,三次索引块,a,b,c,b：二级间址,c：三级间址,一次索引块,一次索引块,二次索引块,UNIX多重索引结构,8.2 文件的结构及文件存取方式,二、存储介质,磁带，磁盘，光盘1.物理块(块)在文件系统中，文件的存储设备常常划分为若干大小相等的物理块。同时也将文件信息划分成相同大小的逻辑块（块），所有块统一编号。以块为单位进行信息的存储、传输，分配,8.2 文件的结构及文件存取方式,2.磁带,永久保存大容量数据顺序存取设备：前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续的

11、物理块的内容存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或用于传递数据的介质,第i块 间隙 第i+1块,8.2 文件的结构及文件存取方式,3.磁盘 直接（随机）存取设备：存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置,磁道,扇区,8.2 文件的结构及文件存取方式,柱面,扇区,磁臂,磁头,8.2 文件的结构及文件存取方式,信息记录在磁道上，多个盘片，正反两面都用来记录信息，每面一个磁头 所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一个柱面 物理地址形式：磁头号（盘面号）磁道号（柱面号）扇区号,8.2 文件的结构及文件存取方式,磁盘系统由磁盘本身和驱动控制设备组成，实际存取读写的动作过

12、程是由磁盘驱动控制设备按照主机要求完成的 一次访盘请求：读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）,8.2 文件的结构及文件存取方式,完成过程由三个动作组成：寻道时间：磁头移动定位到指定磁道（柱面）旋转延迟时间：等待指定扇区从磁头下旋转经过数据传输时间：数据在磁盘与内存之间的实际传输,磁盘调度：根据用户磁盘I/O指令指定的柱面位置，来决定请求执行顺序的调度。目标：尽可能减少寻道时间，即减少移动臂的移动距离。磁盘调度策略：先来先服务（FCFS）策略最短服务时间优先（SSTF）策略扫描（SCAN）策略（电梯策略）循环扫描（CSCAN）策略（单向扫描策略）,例：请求顺序：

13、98,183,37,122,14,124,65,67最短服务时间优先策略：把距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象。扫描策略：按移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次的调度对象。如果该方向上已经没有I/O请求，则改变方向再做选择。循环扫描策略：从0柱面开始往里移动移动臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面，然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速回到0柱面，又开始下一次扫描。,0 14 37 53 65 67 98 122 124 183,初始位置,先来先服务策略,以I/O请求到达的先后作为磁盘调度的顺序例：假定读/写磁头开始位于53号柱

14、面，开始调度时有若干进程提出如下柱面的I/O请求：98,183,37,122,14,124,65,67,45,85,146,85,108,110,59,2,经计算共滑动了640个磁道；移动臂里外来回振动，效率低下。,先来先服务策略优缺点,优点 对各进程是公平的 缺点（1）随机访问模式，无法对访问进行优化（2）平均寻道距离较大，响应时间高，降低设备服务的吞吐量适用于访问请求不是很多的情况。,最短服务时间优先策略,把距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象98,183,37,122,14,124,65,67,经计算共滑动了236个磁道；效率明显好于先来先服务调度算法,最短服务时间优先策

15、略优缺点,优点 与FCFS相比，系统设备吞吐量高，响应时间低 缺点 对用户请求的访问机会不是均等的，对中间磁道服务好，内外两侧磁道服务差，导致响应时间幅度变化很大。,扫描策略（电梯策略）,电梯工作模式：电梯保持按一个方向移动，直到在那个方向上没有请求为止，然后改变方向。磁盘的电梯策略：（1）按移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次的调度对象。如果该方向上已经没有I/O请求，则改变方向再做选择（2）该算法与移动臂当前移动方向有关，移动结果路线有2个答案：由里向外、由外向里,电梯策略（由里向外）,经计算共滑过了208个磁道,电梯策略（由外向里）,经计算共滑过了299个磁道,

16、电梯策略优缺点,优点 由于优先考虑磁头的当前移动方向，基本克服了SSTF的缺点，吞吐量大，平均响应时间较小 缺点 由于是摆动式的扫描，两边磁道被访问的频率仍然低于中间磁道,循环扫描策略,从外向内移动移动臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面，然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速回到0柱面，又开始下一次扫描,快速返回0号柱面,经计算共滑过了350个磁道,循环扫描策略特点,对扫描策略（电梯策略）的改进，进一步减少响应时间。在磁盘访问负荷较小的情况下，SCAN是最好的，而在中等以上负荷的情况下，CSCAN策略效果最佳。,8.2 文件的结构及文件存取方式,硬盘又分为两种：固定头磁

17、盘：每个磁道设置一个磁头，变换磁道时不需要磁头的机械移动，速度快但成本高移动头磁盘：一个盘面只有一个磁头，变换磁道时需要移动磁头，速度慢但成本低,8.2 文件的结构及文件存取方式,4.光盘 光盘容量大，速度快，价格便宜，但一般不可写 可读写光盘驱动器价格贵，写过程很麻烦 光盘的空间结构与磁盘类似,8.2 文件的结构及文件存取方式,5.外存的特点容量大，断电后仍可保存信息，速度较慢，成本较低由两部分组成：驱动部分+存储介质种类很多外存空间组织与地址与存取方式非常复杂I/O过程方式非常复杂,6.用户对外存的要求 用户对外存的使用：读写外存数据 用户对外存的要求：方便、效率、安全,8.2 文件的结构

18、及文件存取方式,(1)在读写外存时不涉及硬件细节，使用逻辑地址和逻辑操作(2)存取速度尽可能快，容量大且空间利用率高(3)外存上存放的信息安全可靠，防止来自硬件的故障和他人的侵权(4)可以方便地共享，动态扩缩，携带拆卸，了解存储情况和使用情况(5)以尽可能小的代价完成上述要求,8.2 文件的结构及文件存取方式,三、存取方法,顺序存取：后一次存取总是在前次存取的基础上进行的。每次存取不必给出存取开始的位置。随机存取：每次存取操作都要指定存取操作的开始位置。,8.2 文件的结构及文件存取方式,8.3 文件管理,一、文件控制块 FCB,一个文件包括2部分：文件数据（内容）；文件的说明信息，即文件属性

19、。文件属性包含有：文件名、长度、存放地址、建立日期等等。文件系统管理控制文件就依赖于文件属性。,8.3 文件管理,文件控制块（FCB）：OS文件系统为描述和控制文件所设置的数据结构，文件控制块中记录着对应文件的文件属性。每个文件都有其对应的文件控制块。一批文件控制块的有序集合形成一个文件目录;目录中每一个目录项就是一个文件控制块。OS把文件目录作为文件处理，即目录文件,8.3 文件管理,文件控制块的内容：文件名，文件号，用户名，文件地址，文件长度，文件类型，文件属性，共享计数，文件的建立日期，保存期限，最后修改日期，最后访问日期，口令，文件逻辑结构，文件物理结构,8.3 文件管理,DOS的文件

20、控制块,Windows98与MSDOS属于同一种文件系统，称DOS文件系统，采用相同的目录结构。其每一个文件的目录表项，即文件控制块的结构如下，每个文件占32个字节：,0 7 8 10 11 12 15,16 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 31,8.3 文件管理,文件名（8字节）：左对齐扩展名（3字节）：左对齐时间、日期：建立或最后修改日期簇号：起始簇号，即文件存放起始地址，2字节（02 00 表示起始簇号为0002H）文件长度(4字节)：文件实际长度。低位在前、高位在后（12 34 56 78 即78563412）,8.3 文件管理,文件属性：1字节 例：

21、03H（00000011）只读、隐含文件 10H（00010000）目录文件 04H（00000100）系统文件,7 6 5 4 3 2 1 0,8.3 文件管理,二、文件目录,文件的文件控制块（FCB）的集合即形成了文件目录。其中每一个目录项就是一个文件控制块。OS把文件目录作为文件处理，即目录文件。,一级目录结构：整个系统只建立一张目录表，表内为系统中所有文件分配一个目录项。优点:简单，易实现缺点:限制了用户对文件的命名 文件平均检索时间长 限制了对文件的共享 只适合单用户环境,8.3 文件管理,二级目录结构：在多用户系统中，有一个主文件目录MFD，其中每个用户占有一个目录项，包括用户名和

22、指向该用户目录的指针。为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，由该用户的所有文件的文件控制块组成。在此系统中，用户建立的文件都在自己的用户目录内。,8.3 文件管理,优点：解决了文件的重名问题和文件共享问题 用户名|文件名、查找时间降低缺点：增加了系统开销,8.3 文件管理,多级目录结构：三级以上的文件目录结构。在二级目录结构的基础上形成，即允许在每个用户目录下建立自己的子目录。也称树型目录结构。检索效率高、允许重名、便于共享，现在广泛使用。根目录：主目录，树的根结点结点：除根目录外的所有目录树叶：系统中文件,8.3 文件管理,路径名：从根目录到任何文件之间，只有一条唯一的通路。从树的根

23、目录开始，把全部目录名与文件名，依次用“/”连接起来，就形成该数据文件的路径。系统中每个文件都有唯一的路径名。绝对路径名：从根目录开始到某一文件的路径。当前目录（工作目录）：可以为一个进程设置一个“当前目录”，进程对各文件的访问，都是基于当前目录进行的。相对路径名：从当前目录开始，到某一数据文件的路径。相对路径名与当前所处位置有关，它不是唯一的。,8.3 文件管理,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,8.3 文件管理,8.3 文件管理,目录管理,目

24、录本身也是文件，保持在外存中；当一个目录有许多文件，则该目录文件就很大；当用户访问某一文件，则往往要访问多级目录，这样就要多次到外存去找，花费过多CPU时间。而如果把所有的文件目录都存放在内存，既不必要，也无可能。为解决上述矛盾，采用方法为：把几乎全部文件目录都存放于外存，提供2种特殊操作：打开操作、关闭操作,8.3 文件管理,打开操作：系统把某文件路径名所涉及的各级目录项（文件控制块）复制到内存的指定区域，并建立用户和此文件的联系。关闭操作：由系统根据用户的要求，把在打开过程中复制到内存指定区域的目录项删除，从而切断了用户于这文件的联系。一个被打开的文件，才可以对它进行读写操作，在操作过程中

25、，只需要访问在打开时已经复制到内存的文件控制块就可以了，不需要访问在外存的文件控制块信息。被打开文件称活动文件。任何系统中被打开的文件数量是有限制的，UNIX是20个。,8.4 文件的共享和保护,文件共享：在多用户系统中，系统允许多个授权用户共享一个文件，系统中只保存该共享文件的一个文本。文件共享是文件系统性能好坏的标志之一。,一、文件的共享,8.4 文件的共享和保护,当前目录法,早期采用方法。在多用户系统中，每个用户都在自己的当前目录下工作，用户对所有文件的访问是基于当前目录的；整个文件目录是树型目录；则当一个用户要访问不在它目录下的文件时，从当前目录开始到被访文件所形成的一条通路，就是相对

26、路径名。每个用户使用相对路径名共享系统中文件。该方法也称“绕弯路法”。,8.4 文件的共享和保护,连访文件法,在相应目录之间进行连接，即 使一个目录中的目录项直接指向另一个目录中的目录项。例：用户u1在当前目录为d1时，要以文件名k.c共享u2中文件p.c。若系统采用连访文件法，则在u1/d1下建立一连访目录项，其连接指针指向共享对象u2/p.c的目录项，并在文件目录中增加连访属性。,8.4 文件的共享和保护,多级目录结构,/u1 wp.exe,/d1 cp.c,mov.c,/u2 p.c,p.obj,p.exe,8.4 文件的共享和保护,基本文件目录法,把文件目录的内容分为2部分：基本文件目

27、录BFD：整个文件系统一个，系统中每个文件在BFD内占有一个目录项，包括文件的内部标识符ID和文件的其它属性（不包括文件名）而ID就是各文件在BFD中排序号。符号文件目录SFD：系统中每个用户有一个SFD，其下的每一个子目录也有一个SFD，SFD内包含文件名和相应的内部标识符ID。,8.4 文件的共享和保护,ID,BFD,物理位置,文件信息,空白文件目录,当系统访问查找某一共享文件时,只需通过用户内部标识找到主目录MFD,从主目录找到用户的SFD,再从SFD找到共享文件名及对应的内部标识，然后，从BFD内部标识查到共享文件的块号，达到共享文件的目的。,8.4 文件的共享和保护,二、文件的保护,

28、影响文件安全性因素：人为因素。人们有意或无意行为，造成文件的丢失或破坏。系统因素。系统异常造成，特别是外存故障。自然因素。存放在磁盘上信息，随着时间推移消失。,8.4 文件的共享和保护,为确保文件系统安全，针对上述原因可采用以下措施：在文件系统中设置存取控制机制，防止人为因素。系统容错技术，防止系统部分故障。建立“后备系统”，防止自然因素。,8.4 文件的共享和保护,文件的存取控制,文件系统对文件的最常用保护方法。存取控制：对不同的用户，对文件的访问规定不同的权限。存取控制表：存取控制表以文件为单位构成，每一个文件一张。存取控制表存放在文件的FCB或索引结点中，即成为该文件的存取控制信息。,8

29、.4 文件的共享和保护,Linux系统采用“存取控制表”方法。把用户分为3类：owner、group、world；在文件的i结点中，用9位二进制来表示这3类用户对文件的存取控制权限。,$ls-l-rwxr-x-.,8.4 文件的共享和保护,用户权限表 以用户为主体，对象为一个文件，访问权限表就用来描述一个用户对每一个文件所能进行的一组操作。,用户A,8.4 文件的共享和保护,文件的分级安全管理,系统级安全管理 目标：不允许未经核准的用户进入系统 措施：（1）注册 系统内置用户表，每个注册用户有一登记项，记录了用户有关信息。（2）登录 注册用户上机时，须先登录，提供注册过的用户名和口令，供系统核准身份。（3）其它措施：为口令设置期限；限定用户上机用终端；规定用户上机,8.4 文件的共享和保护,用户级安全管理 设置不同用户对不同文件的存取权限。目录级安全管理 对各级目录设置读写权。文件级安全管理 文件主或系统管理员对文件设置的文件属性，来控制用户对文件的访问。,操作系统术语 8,32、文件控制块：File Control Block33、文件表：File Tables34、主目录：Master File Directory35、存取方法：Access Method,