7.1 文件和文件系统

文件系统的引入

文件系统：OS存储和管理文件信息，方便用户对文件的存取、共享和保护等，有效提高系统资源的利用率。

程序和数据以文件的形式保留在外存中。

软件资源

软件资源：各种系统程序，以及标准子程序库和应用程序，数据。

软件资源都是一组相关联的信息（程序和数据）的集合。

引入文件系统的原因

方便用户，保证文件的安全性，提高资源利用率。

文件系统的功能

• 实现按名存取
• 文件的物理结构
• 文件信息的检索
• 文件的共享和保护

数据项、记录和文件

数据项

基本数据项：描述一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。

基本数据项=数据名+数据类型。

数据项的名字和类型两者共同定义了一个数据项的“型”。而表征一个实体在数据项上的数据则称为“值”。

组合数据项：由若干个基本数据项组成的，简称组项。例如，经理便是个组项，它由正经理和副经理两个基本项组成。

记录

记录是一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。

在记录的各个数据项中，能惟一地标识一个记录的一个或几个数据项，称为关键字(key)。

文件

文件是指由创建者所定义的、具有文件名的一组相关元素的集合，可分为有结构文件和无结构文件两种。

文件属性：文件类型、文件长度、文件的物理位置、文件的建立时间等。

文件、 记录和数据项之间的层次关系

文件名

包含文件名和扩展名。

文件的类型

按用途分类

①系统文件：系统软件

②用户文件：用户的文件

③库文件：标准子例程及常用的例程

按文件中数据的形式分类

①源文件：源程序和数据

②目标文件：源程序经过编译，尚未链接的目标代码“.obj”

③可执行文件：目标代码经过链接后的文件“.exe”

按存取控制属性分类

①只执行文件

②只读文件

③读写文件

按组织形式和处理方式分类

①普通文件：由ASCII码或二进制码组成的字符文件

②目录文件：由文件目录组成的文件（检索执行下属文件）

③特殊文件：系统中的各类I/O设备

文件系统概念

OS中负责管理和存取文件信息的软件机构。负责文件的建立，撤消，存入，读写，修改和复制，还负责完成对文件的按名存取和进行存取控制。

文件系统的层次结构

文件系统接口>对对象进行操纵和管理的软件集合>对象及其属性

对象及其属性 ★★

文件、目录、磁盘存储空间

对对象进行操纵和管理的软件集合

是层次组织结构的核心部分。

包括：对文件存储空间的管理、对文件目录的管理、用于将文件的逻辑地址转换为物理地址的机制、对文件读和写的管理，以及对文件的共享与保护等功能。

文件系统接口

命令接口、程序接口

文件操作

①最基本的文件操作

创建、删除、读、写文件，设置文件的读/写位置。

②文件的“打开”和“关闭”操作

用户和文件的连接建立和断开。

③其他文件操作

允许用户直接设置和获得文件的属性

查询文件状态

设置和修改用户对文件的存取权限

建立，改变和删除目录

文件共享和设置访问路径

7.2 文件的逻辑结构

文件的逻辑结构（文件的组织）：从用户角度看到的文件的全貌，也就是它的记录结构。

文件的物理结构（文件的存储结构）：文件在外存上的存储组织形式。

文件逻辑结构的类型

按文件是否有结构分类

有结构文件：定长记录，变长记录

无结构文件：流式文件

按文件的组织方式分类

顺序文件

一系列记录按顺序进行存取操作，文件信息队列排列。其中记录可以是定长和变长记录。

• 串结构， 各记录之间的顺序与关键字无关。 通常的办法是由时间来决定，即按存入时间的先后排列。
• 顺序结构，指文件中的所有记录按关键字(词)排列。

优点：

• 最佳应用场合，是在对诸记录进行批量存取时， 即每次要读或写一大批记录。
• 只有顺序文件才能存储在磁带上， 并能有效地工作。

缺点：

• 查找或修改单个记录，为此系统便要去逐个地查找诸记录。
• 增加或删除一个记录， 都比较困难。

索引文件

建立对应关系的索引表，与主文件构成索引文件。

索引顺序文件

为每一个文件建立一张索引表，为一组记录中的第一个记录建立一个索引表项。

哈希(Hash)文件

7.3 文件目录

文件目录：数据结构，用于标识系统中的文件及其物理地址，供检索时使用。

对目录管理的要求如下：

• 实现“按名存取”
• 提高对目录的检索速度
• 文件共享
• 允许文件重名

文件控制块和索引结点 ★

文件控制块FCB：用于描述和控制文件的数据结构。包括：基本信息（文件名、文件物理位置、文件逻辑结构、文件物理结构）、存取控制信息、使用信息。

文件目录：文件控制块的有序集合。文件目录是一个文件（目录文件）。

索引结点：每一个索引结点保存文件系统中的一个文件系统对象的元信息数据，但不包括数据内容或者文件名。

磁盘索引结点：每个文件有唯一的磁盘索引结点。

• 文件主标识
• 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

内存索引结点：

• 索引结点编号
• 状态
• 访问计数
• 文件所在设备的逻辑设备号
• 链接指针：空闲链表、散列队列指针

简单的文件目录

单级文件目录

在整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。

目录项：文件名、文件扩展名、文件长度、文件类型、文件物理地址、文件说明、状态位。

目录结构：

单级目录的优点是简单且能实现目录管理的基本功能——按名存取，但却存在下述一些缺点：

• 查找速度慢
• 不允许重名
• 不便于实现文件共享

两级文件目录

主文件目录（一级，用户名、指向子目录指针），用户文件目录（二级，文件控制块）。

目录结构：

具有以下优点：

• 提高了检索目录的速度。
• 在不同的用户目录中， 可以使用相同的文件名。
• 不同用户还可使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。

树形结构目录

树形目录

树形目录：树形结构目录，主目录被称为‘根目录’（唯一），每个文件和每个目录只能有一个父目录，子目录被称为‘树节点’，数据文件被称为‘树叶’。

目录结构：

路径名和当前目录

路径名：从树的根(即主目录)开始， 把全部目录文件名与数据文件名，依次地用“/”连接起来， 即构成该数据文件的路径名(path name)。

当前目录（工作目录）：当前访问工作的目录。

相对路径名：从当前目录开始直到数据文件为止所构成的路径名。

绝对路径名：从根目录开始的路径名。

目录查询技术 ★

过程

根据文件名找到其FCB或索引结点；

查找FCB或索引结点中的文件物理地址（盘块号），换算为物理位置；

启动磁盘驱动程序，将文件读入内存。

检索方法

① 线性检索法（顺序检索法） ★★★

② Hash 方法

7.4 文件共享 ★

基于有向无循环图实现文件共享（索引结点）

有向无循环图：允许每个文件都可以有多个父目录。

索引结点：文件的物理地址及其他的文件属性等信息放在索引节点中，文件目录中只设置文件名及指向相应索引结点的指针。

利用符号链接实现文件共享

符号链接：一个文件或子目录有一个主父目录和与之链接的链接父目录。创建一个新的文件。

在利用符号链方式实现文件共享时， 只是文件主才拥有指向其索引结点的指针；而共享该文件的其他用户，则只有该文件的路径名，并不拥有指向其索引结点的指针。