操作系统基本原理---⽂件管理
⽂件管理
操作系统对计算机的管理包括两个⽅⾯：硬件资源和软件资源。硬件资源的管理包括CPU 的管理、存储器的管理、设备管理等，主要解决硬件资源的有效和合理利⽤问题。
软件资源包括各种系统程序、各种应⽤程序、各种⽤户程序，也包括⼤量的⽂档材料、库函数等。每⼀种软件资源本⾝都是具有⼀定逻辑意义的相关信息的集合，在操作系统中它们以⽂件形式存储。 计算机系统的重要作⽤之⼀是能快速处理⼤量信息，因此数据的组织、存取和保护成为⼀个极重要的内容。⽂件系统是操作系统中组织、存取和保护数据的⼀个重要部分。
⽂件管理的功能包括：建⽴、修改、删除⽂件；按⽂件名访问⽂件；决定⽂件信息的存放位置、存放形式及存取权限；管理⽂件间的联系及提供对⽂件的共享、保护和保密等。允许多个⽤户协同⼯作⼜不引起混乱。⽂件的共享是指⼀个⽂件可以让多个⽤户共同使⽤，它可以减少⽤户的重复性劳动，节省⽂件的存储空间，减少输⼊/输出⽂件的次数等。⽂件的保护主要是为防⽌由于错误操作⽽对⽂件造成的破坏。⽂件的保密是为了防⽌未经授权的⽤户对⽂件进⾏访问。
⽂件的保护、保密实际上是⽤户对⽂件的存取权限控制问题。⼀般为⽂件的存取设置两级控制：第 1 级
是访问者的识别，即规定哪些⼈可以访问；第 2 级是存取权限的识别，即有权参与访问者可对⽂件执⾏何种操作。
1．⽂件的逻辑结构
⽂件的结构是指⽂件的组织形式，从⽤户⾓度所看到的⽂件组织形式，称为⽂件的逻辑结构。
⽂件的逻辑组织是为了⽅便⽤户使⽤。⼀般⽂件的逻辑结构可以分为两种：⽆结构的字符流⽂件和有结构的记录⽂件。记录⽂件由记录组成，即⽂件内的信息划分成多个记录，以记录为单位组织和使⽤信息。
记录⽂件有顺序⽂件、索引顺序⽂件、索引⽂件和直接⽂件。
（1）顺序⽂件。⼤多数⽂件是顺序⽂件。顺序⽂件的记录定长，记录中的数据项的类型长度与次序固定，⼀般还有⼀个可以唯⼀标识记录的数据项，称为键（key），记录是按键值的约定次序组织的。顺序⽂件常⽤于批处理应⽤，对于查询或更新某个记录的处理性能不太好。
（2）索引顺序⽂件。索引顺序⽂件是基于键的约定次序组织的，⽽且维护键的索引和溢出区域。键的索引也可以是多级索引。索引顺序⽂件既适⽤于交互⽅式应⽤，也适⽤于批处理⽅式应⽤。
（3）索引⽂件。索引⽂件是基于记录的⼀个键数据项组织的。许多应⽤需按照别的数据项访问⽂件，为此，常采⽤索引⽂件⽅法，即对主⽂件中的记录按需要的数据项（⼀个或⼏个）建索引，索引⽂件本⾝是顺序⽂件组织。
（4）直接⽂件。直接⽂件⼜称哈希（Hash）⽂件。记录以它们在直接访问存储设备上的物理地址直接（随机地）访问。直接⽂件常⽤于需要⾼速访问⽂件⽽且每次仅访问⼀条记录的应⽤中。 2．⽂件的物理结构
⽂件的物理结构是指⽂件在存储设备上的存放⽅法。⽂件的物理结构侧重于提⾼存储器的利⽤效率和降低存取时间。⽂件的存储设备通常划分为⼤⼩相同的物理块，物理块是分配和传输信息的基本单位。⽂件的物理结构涉及⽂件存储设备的组块策略和⽂件分配策略，决定⽂件信息在存储设备上的存储位置。常⽤的⽂件分配策略有：
（1）顺序分配（连续分配）。这是最简单的分配⽅法。在⽂件建⽴时预先分配⼀组连续的物理块，然后，按照逻辑⽂件中的信息（或记录）顺序，依次把信息（或记录）按顺序存储到物理块中。这样，只需知道⽂件在⽂件存储设备上的起始位置和⽂件长度，就能进⾏存取，这种分配⽅法适合于顺序存取，在连续存取相邻信息时，存取速度快。其缺点是在⽂件建⽴时必须指定⽂件的信息长度，以后不能动态增长，⼀般不宜⽤于需要经常修改的⽂件。
（2）链接分配（串联分配）。这是按单个物理块逐个进⾏的。每个物理块中（⼀般是最后⼀个单元）设有⼀个指针，指向其后续连接的下⼀个物理块的地址，这样，所有的物理块都被链接起来，形成⼀个链接队列。在建⽴链接⽂件时，不需要指定⽂件的长度，在⽂件的说明信息中，只需指出该⽂件的第⼀个物理块块号，⽽且链接⽂件的⽂件长度可以动态地增长。只调整物理块间的指针就可以插⼊或删除⼀个信息块。
链接分配的优点是可以解决存储器的碎⽚问题，提⾼存储空间利⽤率。由于链接⽂件只能按照队列中的链接指针顺序查，因此搜索效率低，⼀般只适⽤于顺序访问，不适⽤于随机存取。
（3）索引分配。这是另⼀种对⽂件存储不连续分配的⽅法。采⽤索引分配⽅法的系统，为每⼀个⽂件建⽴⼀张索引表，索引表中每⼀表项指出⽂件信息所在的逻辑块号和与之对应的物理块号。
索引分配既可以满⾜⽂件动态增长的要求，⼜可以⽅便⽽迅速地实现随机存取。对⼀些⼤的⽂件，当索引表的⼤⼩超过⼀个物理块时，会发⽣索引表的分配问题。⼀般采⽤多级（间接索引）技术，这时在由索引表指出的物理块中存放的不是⽂件存放处⽽是存放⽂件信息的物理块地址。这样，如果⼀个物理块能存储 n 个地址，则⼀级间接索引将使可寻址的⽂件长度变成 n2 块，对于更⼤的⽂件可以采⽤⼆级甚⾄三级间接索引（例如，UNIX 操作系统采⽤三级索引结构，如图 2-9 所⽰）。
索引⽂件的优点是既适⽤于顺序存取，⼜适⽤于随机存取。缺点是索引表增加了存储 空间的开销。另外，在存取⽂件时需要访问两次磁盘，⼀次是访问索引表，另⼀次是根据索引表提供的物理块号访问⽂件信息。为了提⾼效率，⼀种改进的⽅法是，在对某个⽂件进⾏操作之前，预先把索引表调⼊内存。这样，⽂件的存取就能直接从内存的索引表中确定相应的物理块号，从⽽只需要访问⼀次磁盘。
3．⽂件存储设备管理
⽂件存储设备管理，就是操作系统要有效地进⾏存储空间的管理。由于⽂件存储设备是分成许多⼤⼩相同的物理块，并以块为单位交换信息，因此，⽂件存储设备的管理实质上是对空闲块的组织和管理问题。它包括空闲块的组织，空闲块的分配与空闲块的回收等问题。有3种不同的空闲块管理⽅法， 它们分别是索引法、链接法和位⽰图法。
（1）索引法。索引法把空闲块作为⽂件并采⽤索引技术。为了有效，索引对应于⼀个 或由⼏个空闲块构成的空闲区。这样，磁盘上每⼀个空闲块区都对应于索引表中⼀个条⽬，这个⽅法能有效地⽀持每⼀种⽂件分配⽅法。
（2）链接法。链接法使⽤链表把空闲块组织在⼀起，当申请者需要空闲块时，分配程 序从链⾸开始摘取所需的空闲块。反之，管理程序把回收的空闲块逐个挂⼊队尾，这个⽅ 法适⽤于每⼀种⽂件分配⽅法。空闲块的链接⽅法可以按释放的先后顺序链接，也可以按 空闲块区的⼤⼩顺序链接。后者有利于获得连续的空闲块的请求，但在分配请求和回收空闲块时系统开销多⼀点。
（3）位⽰图法。该⽅法是在外存上建⽴⼀张位⽰图（Bitmap），记录⽂件存储器的使 ⽤情况。每⼀位仅对应⽂件存储器上的⼀个物理块，取值0 和1 分别表⽰空闲和占⽤。⽂件存储器上的物理块依次编号为：0、1、2、…。假如系统中字长为32位，有4096个物
理块，那么在位⽰图中的第1个字对应⽂件存储器上的0、1、2、…、31号物理块；第2 个字对应⽂件存储器上的32、33、34、…、63号物理块；第128字对应⽂件存储器上的4064、4065、…、4095号物理块。这样位⽰图的⼤⼩为32字。
位⽰图是利⽤⼆进制的⼀位来表⽰磁盘中⼀个盘块的使⽤情况，如图2-10 所⽰。当其 值为“0”时，表⽰对应的盘块空闲；为“1”时表⽰已分配。由所有盘块对应的位构成⼀个集合，称为位⽰图。位⽰图也可描述为⼀个⼆维数组map：Varmap:array[1．…m,1．…
n]of bit;
4．树型⽬录结构
在计算机的⽂件系统中，⼀般采⽤树型⽬录结构。在树型⽬录结构中，树的根结点为根⽬录，数据⽂件作为树叶，其他所有⽬录均作为树的结点。
根⽬录隐含于⼀个硬盘的⼀个分区中，根⽬录在最顶层。它包含的⼦⽬录是⼀级⼦⽬录。每⼀个⼀级⼦⽬录⼜可以包含若⼲⼆级⼦⽬录，…，这样的组织结构就叫作⽬录树。
当前盘和当前⽬录是系统默认的操作对象。如果⽤户没有指明操作对象，系统就将⽤户命令指向当前
盘和当前⽬录。
路径是指从根⽬录或者当前⽬录开始到访问对象（⽬录或者⽂件），在⽬录树中路经的所有⽬录的序列。例
如“c:\dos\lmouse\mouse”就是 Windows 系统中的⼀条路径。在树型⽬录结构中，从根⽬录到任何数据⽂件之间，只有⼀条唯⼀的通路，从树根开始，把全部⽬录⽂件名与数据⽂件名，依次⽤“/”（UNIX/Linux 系统）或“\”（Windows 系统）连接起来，构成该数据⽂件的路径名，且每个数据⽂件的路径名是唯⼀的。这样，便可以解决⽂件重名问题。
从树根开始的路径为绝对路径，如果⽂件系统有很多级时，使⽤不是很⽅便，所以引⼊相对路径，即从当前⽬录开始，再逐级通过中间的⽬录⽂件，最后到达所要访问的数据⽂件。
绝对路径给出⽂件或⽬录位置的完全描述，通常由层次结构的顶端开始（根⽬录），通常第⼀个字符是“/”（UNIX/Linux 系统）或者是盘符（Windows 系统）。相对路径通常由⽬录结构中的当前位置开始，⼀般都⽐绝对路径要短。
⽗⽬录是指当前路径的上⼀层⽬录。每个⽬录下都有代表当前⽬录的“.”⽂件和代表当前⽬录⽗⽬录的“..”⽂件，相对路径名⼀般就是从“..”开始的。
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