操作系统文件管理

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

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-定逻辑意义的、相关信息的集合,在中它们 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:管理文件间的联系以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。一般为文件的存取设置两级 控制:第 l 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. 文件和文件系统的概念 文件是信息的一种组织形式,是存储在辅助存储器上的具有标识名的一组信息集合。它可

以是有结构的,也可以是无结构的。

中由文件系统来管理文件的存储、检索、更新、共享和保护。文件系统对文件进 行统一管理,目的是方便用户并且保证文件的安全可靠。

文件系统包括两个方面:一方面包括负责管理文件的二组系统软件:另一方面包括被管理 的对象一一文件。

从用户角度看,文件系统的最大特点是“按名存取”,用户只要给出文件的符号名,就能方 便地存取文件信息。文件系统的主要目标是提高存储器的利用率,接受用户的委托实施对文件 的操作。为了能正确地接名存取,文件系统应具有如 F功能:

CI )管理辅助存储器,实现文件从逻辑文件到辅存物理空间的转换。

(2 )有效地分配文件信息的存储空间。在用户创建新文件时为其分配空闲区,而在用户删 除或修改某个文件时,回收和调整存储区。

(3)建立文件目录。文件目录是实现按名存取的一种于段,一个好的目录结构既能方便检 索又能保证文件的安全。

(4)提供合适的存取方法和存取权限,以适应不同的应用。

(5 )提供文件共享、保护和保密等安全设施,提供友好的用户接口。 根据不同的方面,文件有多种分类方法。按文件的用途可以分为系统文件、库文件和用户

文件等:按文件的安全属性可分为只读文件、读写文件、可执行文件和不保护文件等:按文件

的信息流向可以分为输入文件、输出文件和输入/输出文件等:按文件的组织形式可以分为普通 文件、目录文件和特殊文件等。特殊文件是 UNIX 系统采用的技术,是把所有的输入/输出设备 部视作文件(特殊文件)。特殊文件的使用形式与普通文件相同。

2. 文件的逻辅结构和组织 文件的结构是指文件的组织形式,从用户观点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。

Cl) Jll页序文件。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 度与次序罔定,一般还有一个可以唯一标识记录的数据顶,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。索寻|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 的问文件,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)民间。直接文件常用于需要高速访问文件而且每次访问一条记录的应用 中。

3. 文件的物理结构及组织 文件的物理结构是指文件在存储设备上的存放万法。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。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:

Cl )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(-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二个物理块块号,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,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找,因此,搜索效率低,→般只适用于顺序民间,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 每二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。索引分自己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。这是 由于索引表中存放着全部逻辑块号与物理块号的对应关系。

对一些大的文件,索引表的大小会超过一个物理块,就会发生索引表的分配。对大文 件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信息,而是存 放文件信息的物理块地址。这样,如果→个物理块能存储 n 个物理块地址,则一次间接索引, 可寻址的文件长度将变成 n×n 块。对于更大的文件可以采用二级间接索引,甚至二之级间接索引技术性H UNIX 系统)。

索引分配既适用于顺序存取,也适用于随机存取。索引分配的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存储设备两次,一次是访问索引表,另→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存储设备。

4. 文件访问方法 用户通过对文件的访问(读写)来完成对文件的查找、修改、删除和添加等操作。常用的

访问方法有两种, JJ 顺序词问和随机访问。

(I) Jll页序词问。!||页序民问是按照文件的逻辑地址顺序访问。对无结构的字符流文件,顺序 民问反映当前读写指针的变化,在访问完一段信息之后,读写指针自动力日上这段信息的长度。

(2)随机访问。随机语问方法又分成两种:一种是根据记录的编号访问文件中的记录,或 者根据读写命令把读写指针移到所需要的信息段开始处:另一种是按键民间文件中的记录。

文件的访问依赖于存放文件的存储设备的特性,也依赖于文件的分配策略。例如,磁带是 典型的顺序询问设备,磁盘则是典型的随机访问设备。

5. 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。 2包括空闲块的组织,空闲块的分配与空闲块的回收等问题。有三种 不同的空闲块管理方法,它们分别是索引法、链接法和位图法。

Cl )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 法能有效地支持每二种文件分配方法。

在系统中为某个文件分配空闲块时,首先扫描索引空闲文件目录项,如找到合适的空闲区 工页,则分配给申请者,并把该项从索引空闲文件中去掉。如果一个空闲区不能满足申请者的要 求,则把另一项分配给申请者。如果一个空闲区所含块数超过申请者的要求,则为申请者分配 所要的物理块后,再修改该表工页。当一个文件被删除释放物理块时,系统则把被释放的块号及 第一块块号置入索引空闲文件的新表项中。

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