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操作系统四文件管理一、文件系统基础1.文件逻辑结构无结构文件有结构文件2.文件目录文件控制块FCB目录结构单级目录两级目录结构多级目录结构无环图目录结构3.文件保护口令保护加密保护访问控制4.文件共享硬链接软链接5.文件系统实现文件物理结构连续分配链接分配隐式链接显式链接索引分配6.文件存储空间管理7.文件系统的层次结构8.磁盘结构9.磁盘调度算法先来先服务算法FCFS最短寻找时间优先SSTF扫描算法SCANLOOK 调度算法循环扫描算法C-SCANC-LOOK 调度算法一、文件系统基础
1.文件逻辑结构
无结构文件
无结构文件文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称“流式文件”。如Windows 操作系统中的 .txt 文件。 有结构文件
有结构文件由一组相似的记录组成又称“记录式文件”。每条记录又若干个数据项组成。如数据库表文件。一般来说每条记录有一个数据项可作为关键字作为识别不同记录的ID 有结构文件分为顺序文件、索引文件、索引顺序文件和直接文件或散列文件
顺序文件
定长记录的顺序文件若物理上采用顺序存储则可实现随机存取若能再保证记录的顺序结构则可实现快速检索即根据关键字快速找到对应记录
索引文件
索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第 i 个记录对应的索引项。可将关键字作为索引号内容若按关键字顺序排列则还可以支持按照关键字折半查找。每当要增加/删除一个记录时需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合
索引顺序文件 索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中同样会为文件建立一张索引表但不同的是并不是每个记录对应一个索引表项而是一组记录对应一个索引表项。
多级索引顺序文件
2.文件目录
文件控制块FCB FCB 的有序集合称为“文件目录”一个FCB就是一个文件目录项。FCB 中包含了文件的基本信息文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等存取控制信息是否可读/可写、禁止访问的用户名单等使用信息如文件的建立时间、修改时间等。最重要最基本的还是文件名、文件存放的物理地址。
目录结构
单级目录 单级目录实现了“按名存取”但是不允许文件重名。在创建一个文件时需要先检查目录表中有没有重名文件确定不重名后才能允许建立文件并将新文件对应的目录项插入目录表中
两级目录结构 多级目录结构 无环图目录结构 可以用不同的文件名指向同一个文件甚至可以指向同一个目录共享同一目录下的所有内容。需要为每个共享结点设置一个共享计数器用于记录此时有多少个地方在共享该结点。用户提出删除结点的请求时只是删除该用户的FCB、并使共享计数器减1并不会直接删除共享结点。只有共享计数器减为0时才删除结点。
注意共享文件不同于复制文件。在共享文件中由于各用户指向的是同一个文件因此只要其中一个用户修改了文件数据那么所有用户都可以看到文件数据的变化。
3.文件保护
口令保护
为文件设置一个“口令”如abc112233用户请求访问该文件时必须提供“口令”。口令一般存放在文件对应的 FCB 或索引结点中。用户访问文件前需要先输入“口令”操作系统会将用户提供的口令与FCB中存储的口令进行对比如果正确则允许该用户访问文件
优点保存口令的空间开销不多验证口令的时间开销也很小。 缺点正确的“口令”存放在系统内部不够安全。
加密保护
用某个“密码”对文件进行加密在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。 例如一个最简单的加密算法——异或加密 假设用于加密/解密的“密码”为“01001”
优点保密性强不需要在系统中存储“密码” 缺点编码/译码或者说加密/解密要花费一定时间。
访问控制
在每个文件的FCB或索引结点中增加一个访问控制列表Access-Control List, ACL该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。 4.文件共享
硬链接 索引结点中设置一个链接计数变量 count用于表示链接到本索引结点上的用户目录项数。
若 count 2说明此时有两个用户目录项链接到该索引结点上或者说是有两个用户在共享此文件。 若某个用户决定“删除”该文件则只是要把用户目录中与该文件对应的目录项删除且索引结点的count值减 1。 若 count0说明还有别的用户要使用该文件暂时不能把文件数据删除否则会导致指针悬空。 当 count 0 时系统负责删除文件。
软链接 当 User3 访问“ccc”时操作系统判断文件“ccc”属于 Link 类型文件于是会根据其中记录的路径层层查找目录最终找到 User1 的目录表中的“aaa”表项于是就找到了文件1的索引结点。
5.文件系统实现
文件物理结构
磁盘块
连续分配 链接分配
隐式链接 用户给出要访问的逻辑块号 i操作系统找到该文件对应的目录项FCB从目录项中找到起始块号即0号块将0号逻辑块读入内存由此知道1号逻辑块存放的物理块号于是读入1号逻辑块再找到2号逻辑块的存放位置……以此类推。因此读入i号逻辑块总共需要 i1 次磁盘I/O。
结论采用链式分配隐式链接方式的文件只支持顺序访问不支持随机访问查 找效率低。另外指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。
显式链接 索引分配 6.文件存储空间管理
文件空间划分
文件空间管理
空闲表法 空闲链表 位式图法 成组链接法
空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。 文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。 7.文件系统的层次结构 8.磁盘结构 9.磁盘调度算法
先来先服务算法FCFS 最短寻找时间优先SSTF 扫描算法SCAN LOOK 调度算法 循环扫描算法C-SCAN C-LOOK 调度算法
