初识文件管理
- 文件的定义：一组有意义的信息的集合
- 文件的属性：文件名、标识符、类型、位置、大小、保护信息……
- 文件内部应该如何被组织起来（文件的逻辑结构）
- 文件之间应该如何被组织起来（目录结构）
- 操作系统向上提供的几个最基本的功能
- 创建文件(create系统调用)
- 删除文件(delete系统调用)
- 读文件(read系统调用)
- 写文件(write系统调用)
- 打开文件(open系统调用)
- 关闭文件(close系统调用)
- 文件应如何存放在外存中（文件的物理结构）
- 操作系统如何管理外存中的空闲块（存储空间的管理）
- 操作系统需要提供的其他文件管理功能
- 文件共享
- 文件保护
文件的逻辑结构
无结构文件：由二进制流或字符组成，无明显的逻辑结构
有结构文件
- 由记录组成，分为定长记录、可变长记录
- 逻辑结构
- 顺序文件
- 索引文件
- 索引顺序文件
- 顺序文件
- 串结构：记录顺序与关键字无关
- 顺序结构：记录按关键字顺序排列
- 可变长记录的顺序文件无法实现随机存储，定长记录可以
- 最大缺点：不方便 增加/删除 记录
![顺序文件]()
- 索引文件
- 建立一张索引表，每个记录对应一个表项。各记录不用保持顺序，方便增加/删除记录
- ==索引表本身就是定长记录的顺序文件==，一个索引表项就是一条定长记录，因此索引文件可支持随机存储
- ==若索引表按关键字顺序排列，则可支持快速搜索==
- 解决了顺序文件不方便增/删记录的问题，同时让不定长记录的文件实现了随机存储。但索引表可能占用很多空间
![索引文件]()
- 索引顺序文件
- 将记录分组，每组对应一个索引表项
- 检索记录时先顺序查索引表，找到分组，再顺序查找分组
- 当记录过多时，可建立多级索引表
![索引顺序文件]()
文件目录
- 文件目录的实现
- 一个文件对应一个FCB，一个FCB就是一个目录项，多个FCB组成文件目录
- 对目录的操作：搜索、创建文件、删除文件、显示文件、修改文件
- 目录结构
- 单级目录结构：一个系统只有一张目录表，==不允许文件重名==
- 两级目录结构：不同用户的文件可以重名，但==不能对文件进行分类==
- 多级（树形）目录结构
- 不同目录下的文件可以重名，可以对文件进行分类，==不方便文件共享==
- 系统根据“文件路径”找到目标文件
- 从根目录出发的路径是“绝对路径”
- 从“当前目录”出发的路径是“相对路径”
- 无环图目录结构
- 在树形目录结构的基础上，增加一些指向同一节点的有向边，使整个目录成为一个有向无环图
- 为共享结点设置一个共享计数器，==计数器为0时才真正删除该结点==
- 索引结点
- ==除了文件名之外的所有信息都放到索引结点中，每个文件对应一个索引结点==
- 目录项中只包含文件名、索引结点指针，因此每个目录项的长度大幅减小
- 由于目录项长度减小，因此每个磁盘块可以存放更多个目录项，因此检索文件时磁盘I/O的次数就少了很多
文件的物理结构
顺序分配
- 实现：为文件分配的必须是连续的磁盘块
- 目录项内容：起始块号、文件长度
- 优点
- 顺序存取速度快
- 支持随机访问
- 缺点
- 会产生碎片
- 不利于文件扩展
链接分配——隐式链接
- 实现：除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针
- 目录项内容：起始块号、结束快号
- 优点
- 可解决碎片问题，外存利用率高
- 文件拓展实现方便
- 缺点
- 只能顺序存储，不能随机访问
链接分配——显式链接
- 实现：建立一张文件分配表(FAT)，显式记录盘块的先后关系（开机后FAT常驻内存）
- 目录项内容：起始块号
- 优点
- 除了拥有隐式链接的优点之外，还可通过查询内存中的FAT实现随机访问
- 缺点
- FAT需要占用一定的存储空间
索引分配
- 实现：为文件数据块建立索引表。若文件太大，可采用链接方案、多层索引、混合索引
- 目录项内容：
- 链接方案记录的是第一个索引块的块号
- 多层/混合索引记录的是顶级索引块的块号
- 优点
- 支持随机访问
- 易于实现文件的扩展
- 缺点
- 索引表需占用一定的存储空间
- 访问数据块前需要先读入索引块
- 若采用链接方案，查找索引时可能需要很多次读磁盘操作
- 链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放
![链接方案]()
- 多层索引：原理类似于多级页表
![多层索引]()
- 混合索引：多种索引分配方式的结合
![混合索引]()
逻辑结构 VS 物理结构
- 逻辑结构
- 用户（文件创建者）的视角看到的样子
- 在用户看来，整个文件占用连续的逻辑地址空间
- 文件内部的信息组织完全由用户自己决定，操作系统并不关心
- 物理结构
- 由操作系统决定文件采用什么物理结构存储
- 操作系统负责将逻辑地址转变为(逻辑块号, 块内偏移量)的形式，并负责实现逻辑块号到物理块号的映射
文件存储空间管理
存储空间的划分与初始化
- 文件卷（逻辑卷），目录区、文件区的概念
- ==目录区包含文件目录、空闲表、位示图、超级块等用于文件管理的数据==
空闲表法
- 空闲表中记录每个连续空闲区的起始盘块号、盘块数
- 分配时可采用==首次适应、最佳适应等策略；回收时注意表项的合并问题==
空闲链表法
空闲盘块链
- 以==盘块==为单位组成一条空闲链
- 分配时从链头依次取出空闲块，回收时将空闲块插到链尾
空闲盘区链
- 以==盘区==为单位组成一条空闲链
- 分配时可采用首次适应、最佳适应等策略；回收时注意相邻空闲盘区合并的问题
位示图法
- 一个二进制位对应一个盘块。(字号, 位号) 或 (行号, 列号) 与盘块号一一对应
成组链接法
- UNIX采用的策略，适合大型文件系统
文件的基本操作
- 创建文件：分配外存空间，创建目录项
- 删除文件：回收外存空间，删除目录项
- 打开文件
- ==将目录项中的信息复制到内存中的打开文件表中，并将打开文件表的索引号返回给用户==
- 打开文件之后，对文件的操作不再需要每次都查询目录，可以根据内存中的打开文件表进行操作
- 每个进程有自己的打开文件表，系统中也有一张总的打开文件表
- 进程打开文件表中特有的属性：读写指针、访问权限（只读？读写？）
- 系统打开文件表中特有的属性：打开计数器（有多少个进程打开了该文件）
- 关闭文件
- 将进程打开文件表中的相应表项删除
- 系统打开文件表的打开计数器减1，若打开计数器为0，则删除系统表的表项
- 读文件：根据读指针、读入数据量、内存位置==将文件数据从外存读入内存==
- 写文件：根据写指针、写出数据量、内存位置将文件数据从内存写出外存
文件共享
- 硬链接
- 各个用户的目录项指向同一个索引结点
- 索引结点中需要有链接计数count
- 某用户想删除文件时，只是删除该用户的目录项，且count–
- 只有count == 0时才能真正删除文件数据和索引结点，否则会导致指针悬空
- 软链接（符号链接）
- 在一个Link型的文件中记录共享文件的存放地址（Windows快捷方式）
- 操作系统根据路径一层层查找目录，最终找到共享文件
- 即使软链接指向的共享文件已被删除，Link型文件依然存在，只是通过Link型文件中的路径去查找共享文件会失败（找不到对应目录项）
- 由于用软链接的方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O，因此用软链接访问共享文件的速度要比硬链接更慢
文件保护
- 口令保护
- 为文件设置一个“口令”，用户想要访问文件时需要提供口令，由系统验证口令是否正确
- 实现开销小，但“口令”一般存放在FCB或索引结点中（也就是存放在系统中），因此不太安全
- 加密保护
- 用一个“密码”对文件加密，用户想要访问文件时，需要提供相同的“密码”才能正确的解密
- 安全性高，但加密/解密需要耗费一定的时间（Eg：异或加密）
- 访问控制
- 用一个访问控制表(ACL)记录各个用户（或各组用户）对文件的访问权限
- 对文件的访问类型可以分为：读/写/执行/删除 等
- 实现灵活，可以实现复杂的文件保护功能
文件系统的层次结构
假设某用户请求删除“D:/dev/学生信息.xlsx”的最后100条记录
- 用户需要通过操作系统提供的接口发出上述请求——==用户接口==
- 由于用户提供的是文件的存放路径，因此需要操作系统一层一层地查找目录，找到对应的目录项——==文件目录系统==
- 不同的用户对文件有不同的操作权限，因此为了保证安全，需要检查用户是否有访问权限——==存取控制模块(存取控制验证层)==
- 验证了用户的访问权限之后，需要把用户提供的“记录号”转变为对应的逻辑地址——==逻辑文件系统与文件信息缓冲区==
- 知道了目标记录对应的逻辑地址后，还需要转换成实际的物理地址——==物理文件系统==
- 要删除这条记录必定要对磁盘设备发出请求–设备管理程序模块将这些空闲盘块回收——==辅助分配模块==
- 删除这些记录后，会有一些盘块空闲，因此要将这些空闲盘块回收——==辅助分配模块==
文件系统布局
虚拟文件系统
- 虚拟文件系统的特点
- 向上层用户进程提供统一标准的系统调用接口，屏蔽底层具体文件系统的实现差异
- VFS要求下层的文件系统必须实现某些规定的函数功能
- 存在的问题：不同的文件系统，表示文件数据结构各不相同。打开文件后，其在内存中的表示就不同
- 文件系统挂载：即文件系统安装/装载
- 在VFS中注册新挂载的文件系统。内存中的挂载表包含每个文件系统的相关信息，包括文件系统类型、容量大小等
- 新挂载的文件系统，要向VFS提供一个函数地址列表
- 将新文件系统加到挂载点，也就是将新文件系统挂载在某个父目录下
