第 七 、八 章 文件与磁盘空间管理

第 七 、八 章 文件与磁盘空间管理

1、文件和文件系统

文件管理：把所管理的程序和数据组织成一系列的文件，并能进行合理的存储、使用等操作。

1 ）基本概念

数据项：描述对象某种属性的字符集；是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位。 记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性； 关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合，用于唯一的标识一个记录。 文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合。 无结构：字符流的形式有结构：由相关记录组成

属性：类型、长度、物理位置、创建时间

2 ）文件类型

不同的系统对文件的管理方式不同 大多用扩展名标志文件类型，按如下几种方式分类文件 按用途：系统、用户、库文件 按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件 按存取控制属性：只执行、只读、读写 按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设备）文件

3）文件系统模型

文件目录的管理 文件共享和保护等 文件存储空间的管理 文件逻辑地址转换 文件读写管理

4）文件操作

操作系统提供哪些文件操作？ 最基本的操作 创建/删除文件：分空间，形成FCB及目录（名，地址） 读、写：按名检索目录，找到文件地址，开始读、写 设置文件读写位置，实现随机存取（尤其适用于记录文件）

2、文件的逻辑结构

文件系统设计的关键要素： 如何构成一个文件，以及如何存储在外存。 文件结构： 文件的逻辑结构file logical structure：按用户观点如何组织数据；又称文件组织file organization 基本要求：检索速度高、方便修改、降低存储空间费用（不连续） 文件的物理结构：根据外存上的物理块的分配机制，记录文件外存的存储结构。用户感知不到的。

1）文件逻辑结构的类型

有结构文件（记录式）

①定长记录

如何组织记录： 顺序文件。系统需按该类型记录“长度”，通常定长。

②变长记录

如何组织记录： 索引文件。系统需为文件建立索引表。 索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。 无结构文件（字符流式） 字节为单位，利用读写指针依次访问。 系统对该类文件不需格式处理。

①顺序文件

两种记录排列方式 串结构：按记录形成的时间顺序串行排序。记录顺序与关键字无关； 顺序结构：按关键字排序。 检索方法： 从头检索，顺序查找要找的记录，定长的计算相对快。 顺序结构，可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率

顺序文件的优缺点： 不方便随机存取某条记录，但适用批量存取的场合。 适合磁带等特殊介质。 单记录的查找、修改等交互性差；增减不方便（改进办法：把增删改的记录登记在一个事务文件中，在某段时间间隔后再与原文件合并更新）。

②索引文件

为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表，记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度；该索引表按关键字排序，。 索引表内容： 索引号、长度、记录地址指针 检索效率 索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件，所以能利用算法提高索引表检索速度

折半检索过程举例 给出用户关键字 检索索引表(设有n条记录,设一个索引表项占x字节)，则索引表的x*n/2字节处记录着n/2号记录的地址 根据第2步的地址，读一条记录，若记录中关键字不匹配，再判断找第n/4还是第n/2+n/4条记录

③索引顺序文件

既要方便，又要降低开销 本方式是最常见的一种逻辑文件形式。 将顺序文件的所有记录分组 还是建立索引表，但每个表项记录的是每组第1条记录的键值和地址。 组内记录仍按顺序方式检索和使用。 检索一条记录的过程： 先计算记录是在第几组，然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找。 可利用多级索引，进一步提高检索效率。

④直接文件

给定键值（如学号）不需顺序检索直接得到记录的物理地址

3、外存分配方式

目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度 常用三种方式： 连续分配 链接分配（不连续） 索引分配 通常一个系统中仅采用一种方式 采用的磁盘分配方式决定了文件的“物理结构” 顺序结构；链接式结构；索引式结构。 注意与逻辑结构名类似但不是一回事。

1）连续分配

为每一个文件分配一组相邻的盘块。 逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。 优点：顺序访问容易，读写速度快

缺点： 会产生外存碎片。可紧凑法弥补，但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间。 创建文件时要给出文件大小；存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改； 适用于变化不大顺序访问的文件，在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如对换区

2）链接分配

可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块。 设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表，这样形成的文件称为链接文件。会有链接成本。

优点： 离散分配，消除外部碎片，提高利用率 同时适用于文件的动态增长；修改容易

链接有两种形式： 隐式链接

文件空间信息的目录项中没有链接数据； 链接信息隐含记录在盘块数据中； 每个盘块拿出若干字节，记录指向下一盘块号的指针。 问题：只能顺着盘块读取，可靠性低

显式链接（FAT--file allocationtable） 链接信息以信息表的形式显示存放

记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表 所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表 为了提高文件系统访问速度，FAT一般常驻内存

属于一个文件的盘块通过链接成为一体，每个链条的首地址作为文件地址记录在相应文件的FCB的“物理地址”字段中。

3）索引分配

链接的不足 顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取，仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。 链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的 改进： 系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存 每个文件单独建索引表（物理盘块索引），记录所有分配给它的盘块号； 建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；

①单级索引分配

索引形式适合大文件 中、小型文件，只需若干链接即可。若用索引分配方式，用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。

②多级索引

若文件较大，存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。 索引盘块亦需要按顺序管理起来 若索引盘块数量较少用指针链接的方式即可； 若索引盘块较多，需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引。

③混合组织索引（增量式索引组织方式）

多种索引方式相结合，以UNIX system V的索引结点为例： 一个索引结点定义为13个地址项：iaddr（0）~iaddr（12），总的来说分为两种：直接地址、间接地址 iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存文件数据的盘块号； iaddr（10）存放单级索引的索引盘块号； 剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。 iaddr（11）存放二级索引的主索引盘块号 iaddr（12）存放三级索引的主索引盘块号

4、存储空间的管理

为实现存储空间分配，系统需要： 记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构； 提供对存储空间分配、回收的操作手段。 典型的管理方法： 1）空闲表和空闲链表法 2）位示图法 3）成组链接法

1）空闲表法和空闲链表法

空闲表法

常用于连续分配管理方式

数据结构

系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表 每个空闲区对应一个空闲表项 （表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块数等。） 将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列，如右图。

存储空间的分配与回收操作

与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等。 回收主要解决对数据结构的数据修改。 应该说明，虽然很少采用连续分配方式，然而在外存的管理中，由于它具有较高的分配速度，可减少访问磁盘的I/O频率，故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现虚拟用的部分外存就是连续分配方式）

空闲链表法

将所有空闲盘区拉成一条空闲链。 数据结构：链         根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式： 空闲盘块链 空闲盘区链

空闲盘块链

将磁盘上的所有空闲空间，以盘块为单位拉成一条链。 因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户。 因删除文件而释放存储空间时，系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾。 优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但为一个文件分配盘块时，可能要重复操作多次。

盘块的分配与回收

根据位示图进行盘块分配： 顺序扫描位示图。找到为0的二进制位。 将所找到的一个或一组二进制位，转换成与之对应的盘块号。进行分配操作。 盘块号计算公式为：盘块号 = 列总数*（i-1）+ j; （注意下标i，j从1开始） 修改位示图。 根据位示图进行盘块回收： 将回收盘块的盘块号转换成位示图中的行号和列号。转换公式为：i=(盘块号-1)div列数+1；j=(盘块号-1)mod列数+1 Div 求商，mod 取余，公式中的i、j都是从1开始的 （如12号盘块转换后为1，12） 修改位示图。

3）成组链接法

大型文件系统，空闲表或空闲链表太长不方便管理操作。 UNIX系统中采用成组链接法，这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法。 中心思想： 所有盘块按规定大小划分为组； 组间建立链接； 组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且支持离散分配回收。

5、目录管理

对文件实施有效的管理，必须对它们加以妥善组织，主要是两大操作： 基本信息记录(FCB,目录项) 方便检索、管理（目录操作） 目录管理的要求如下： 实现“按名存取”；（最基本功能） 提高对目录的检索速度； 文件共享； 允许文件重名。

文件控制块—FCB

为了能对一个文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块”（FCB） 文件与文件控制块一一对应 记录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息。（是谁？在哪里？什么权？） 文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各种操作。         把文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个目录项。通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件。

1）FCB内容

在文件控制块中，通常含有以下三类信息。 基本信息类 包括文件名，文件物理位置，文件逻辑结构，文件的物理结构。 存取控制信息类 包括文件主的存取权限，核准用户的存取权限和一般用户的存取权限。 使用信息类 建立日期和时间、文件上次修改的日期和时间 当前使用信息：打开该文件的进程数、是否被进程锁住、是否已修改等。

2）索引结点

索引结点的引入 文件目录占越大量的盘块，需进行的磁盘读写开销越大。减少实际检索的信息量就减少移动磁头的开销，提高速度； 目录一般是按名检索。而直到找到正确文件前，只关心文件名，不需要其它的文件描述信息，目录中这部分内容的调入不是必须的。 所以：将文件名、文件具体信息分开，使文件描述信息单独形成一个索引结点。

３） 目录结构

目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度，也关系到文件的共享性和安全性。 组织好文件的目录，是设计好文件系统的重要环节。 目前常用的目录结构形式有 单级目录 两级目录 多级目录

①单级目录结构（Single-Level Directory）

最简单的目录结构。 整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一个目录项，含有文件相关信息。 每建立一个新文件： 先检索所有的目录项，保证文件名唯一。 获得一空白目录项，填入相关信息，修改状态位（表明每个目录项是否空闲）。 删除一个文件： 找到对应目录项，回收文件所占用空间 清除目录项 优点：简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。 缺点： 文件检索时需搜遍整个目录文件，范围大速度慢。 不允许重名。名字过多难于记忆，对于多用户环境重名难以避免。 不便于实现文件共享（因为不能重名，不同用户使用的共享文件必须不同名字，标识哪些用户共享文件也不方便），一般只适用单机环境。

②两级目录结构（ Two-Level Directory ）

为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，UFD由用户所有文件的文件控制块组成。 系统建立一个主文件目录MFD， MFD中每个用户目录文件都占有一个目录项，其中包括用户名和指向UFD的指针。

两级目录的特点

基本克服了单级目录的缺点，并具有以下优点： 提高了检索目录的速度。 在不同的目录中可重名。 不同用户还可以使用相同/不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。 不提供子目录操作，还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作。

③多级目录结构

适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like) 在文件数目较多时，便于系统和用户将文件分散管理。 层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等 但目录级别太多时也会增加路径检索层次，增加磁盘访问时间。

4）目录查询技术

用户要访问一个已存文件 目录数据调入内存； 按名检索：系统利用提供的文件名对目录(根据目录层次，需要做的检索次数也不同)进行查询 找该文件控制块 读FCB或对应索引结点； 从文件物理地址换算出文件在磁盘上的物理位置； 最后通过磁盘驱动程序，将所需文件读入内存。 目录查询方式：线性检索法和Hash方法。

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