文件管理

背景以及意義

在使用計算機的過程中姑尺，需要大量的程序以及數(shù)據(jù)路星，而內(nèi)存的容量有限，并且不能長期保存數(shù)據(jù)匹中，于是便將數(shù)據(jù)以文件的形式保存在外存中。隨著而來就又出現(xiàn)了新的問題了豪诲，如果直接將數(shù)據(jù)保存在外存中顶捷，用戶直接面向磁盤進行操作，就會帶來很多的問題屎篱，比如：要求用戶熟悉磁盤的結(jié)構(gòu)服赎，了解各種文件的屬性，在磁盤上的具體位置交播，在多用戶環(huán)境下還必須保持?jǐn)?shù)據(jù)的安全性以及一致性重虑，這是非常麻煩的事情，于是秦士，就在操作系統(tǒng)中引入了文件管理的概念缺厉，也就是構(gòu)建一個文件系統(tǒng)，專門用于文件的管理隧土、組織工作提针，并且提供簡單、方便的操作給用戶曹傀。

文件以及文件系統(tǒng)

文件

文件可以通俗地理解為就是一堆數(shù)據(jù)的集合关贵，可以分為有結(jié)構(gòu)文件以及無結(jié)構(gòu)文件(流式文件)，文件自身具有一些屬性卖毁，如：文件類型揖曾、文件長度落萎、文件的物理位置、建立時間等炭剪。

文件類型

劃分文件類型的目的是為了更好地管理文件练链，按照不同的分類，可以將文件類型進行不同的劃分

• 按照用途劃分
  • 系統(tǒng)文件
  • 用戶文件
  • 庫文件
• 按照文件中數(shù)據(jù)的形式劃分
  • 源文件
  • 目標(biāo)文件
  • 可執(zhí)行文件
• 按照存取控制權(quán)限劃分
  • 只執(zhí)行文件
  • 只讀文件
  • 讀寫文件
• 按照組織形式和處理方式劃分
  • 普通文件
  • 二進制文件
  • 特殊文件

文件系統(tǒng)模型

文件系統(tǒng)一般劃分為三個層次：從上到下分別是：文件系統(tǒng)接口 - 對對象操作和管理的軟件集合 - 對象(文件奴拦、目錄媒鼓、磁盤)及屬性

文件操作

創(chuàng)建文件、刪除文件错妖、讀文件绿鸣、寫文件、打開文件暂氯、關(guān)閉文件潮模、對文件屬性的操作、對目錄的操作等

文件的邏輯結(jié)構(gòu)

所謂的文件的邏輯結(jié)構(gòu)痴施，是指從用戶的觀點出發(fā)所看到的文件的組織形式擎厢，是用戶可以直接處理的數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)，跟具體的物理存儲結(jié)構(gòu)沒有關(guān)系辣吃，也稱為文件的組織动遭，分為有結(jié)構(gòu)文件(記錄式文件)、無結(jié)構(gòu)文件(流式文件)

對于文件的邏輯結(jié)構(gòu)神得，有一些基本的要求

• 能提高檢索速度：在大文件中檢索數(shù)據(jù)
• 便于修改：在文件中增加厘惦、刪除、修改記錄
• 降低文件的存儲費用：減少文件占用的磁盤空間哩簿、不要求大片的連續(xù)存儲空間

有結(jié)構(gòu)文件

有結(jié)構(gòu)文件根據(jù)用于和系統(tǒng)管理的需要绵估，根據(jù)組織形式的不同，可以分為一下幾種

• 順序文件：文件中的記錄按照某種順序排列而成卡骂，記錄一般是指定長的記錄，能用較快的速度查找文件中的記錄
• 索引文件：為變長記錄建立索引表形入，并且為每個記錄設(shè)置一個表項全跨，用于加快檢索速度
• 索引順序文件：為文件建立索引表，為每一組記錄中的第一個記錄設(shè)置一個表項

順序文件

兩種不同的排序方式：串結(jié)構(gòu)(基本按照時間排序)亿遂、順序結(jié)構(gòu)(按照關(guān)鍵字進行排序)

順序文件中浓若，如果是定長記錄，則訪問可以按照頭指針加偏移即可蛇数；如果是不定長記錄挪钓，則每個記錄需要保存多一個指針，用于保存當(dāng)前文件的長度

優(yōu)點：讀取效率高耳舅，尤其是在大文件的情況下

缺點：文件比較大是碌上，查找某幾個記錄速度慢倚评，增加、刪除操作比較困難馏予√煳啵可以設(shè)置一個記錄日志/事務(wù)文件，將具體操作記錄下來霞丧，在一定時間內(nèi)統(tǒng)一處理(延遲操作)

索引文件

為文件中的記錄建立索引表呢岗，每個表項用于記錄：記錄的長度、指向該記錄的指針蛹尝。檢索時后豫，先根據(jù)關(guān)鍵字檢索索引表，然后再根據(jù)索引表中的指針讀取對應(yīng)的文件

優(yōu)點：檢索速度快

缺點：增加了一個索引項突那，所以增加了費用

索引順序文件

克服了變長記錄文件的不便于存取的缺點挫酿，而且付出的代價也不算大

將順序文件的所有記錄進行分組：為順序文件建立一張索引表，索引表中為每組的第一個記錄建立一個索引項陨收，含有該記錄的鍵值和指向該記錄的指針饭豹。在檢索時，先利用關(guān)鍵字在索引表中進行檢索务漩，然后找到該記錄所在記錄組中第一個記錄的表項拄衰，從而得到該記錄組的地址，然后再用順序索查找方式在主文件中進行查找饵骨，對于大文件翘悉，更是可以建立多級索引從而提高檢索速度

外存分配方式

常見用外存分配方式有連續(xù)分配、鏈接分配居触、索引分配

連續(xù)分配

連續(xù)分配即為每個文件分配一組連續(xù)/相鄰接的磁盤塊妖混，保證了邏輯文件中的記錄順序與存儲中所占用的盤塊順序一致

優(yōu)點：順序訪問容易、訪問速度快

缺點：要求有連續(xù)的存儲空間轮洋、必須事先知道文件的大小

鏈接分配

鏈接分配采用離散的分配方式制市，消除了碎片問題，提高了利用率弊予，同時也適應(yīng)文件的動態(tài)增長祥楣、刪除、修改等

隱式鏈接

在文件目錄的每個目錄項中汉柒，都含有鏈接文件第一個盤塊以及最后一個盤塊误褪，而且每個盤塊都含有指向下一個盤塊的指針

缺點：只適合順序訪問，每次讀寫都必須從起始盤塊開始碾褂、僅通過一個鏈接指針將盤塊鏈接起來兽间，如果其中一個鏈接出錯，整個鏈就斷開

顯式鏈接

把鏈接各個物理盤塊的指針正塌，顯示地存放在內(nèi)存中的一個鏈接表(FAT File Allocation Table)上嘀略，將鏈?zhǔn)字羔標(biāo)鶎?yīng)的盤塊存放在FCB中

缺點：FAT需要占用比較大的內(nèi)存空間

索引分配

索引分配為每個文件分配一個索引塊恤溶，再把分配給該文件的所有盤塊號都記錄在該索引塊中，在建立一個文件時屎鳍，只需要為之建立的目錄項中填入指向該索引塊的指針

缺點：對于小文件來說宏娄，索引塊的利用率比較低

常見分配方式：單級索引、多級索引逮壁、混合索引(多種索引分配方式混合而成)

目錄管理

對目錄的要求

• 實現(xiàn)按名存确跫帷：提供名字即可快速找到文件所在磁盤
• 提高對目錄的檢索速度
• 文件共享
• 允許文件重命名

文件控制塊和索引節(jié)點

文件控制塊中的信息

• 基本信息：文件名、文件物理位置窥淆、文件邏輯結(jié)構(gòu)卖宠、文件的物理結(jié)構(gòu)
• 存取控制信息：文件主的權(quán)限、核準(zhǔn)用戶的權(quán)限以及一般用戶的權(quán)限
• 使用信息：文件的建立時間忧饭、修改時間等

一個文件控制塊就是一個目錄項扛伍，文件控制塊的集合就是一個目錄

索引節(jié)點：將文件描述信息與文件名分離，使文件描述信息單獨形成一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

文件系統(tǒng)中每個目錄項僅由文件名和指向文件所對應(yīng)的inode節(jié)點的指針

文件目錄結(jié)構(gòu)

單級結(jié)構(gòu)词裤、兩級結(jié)構(gòu)刺洒、多級結(jié)構(gòu)

文件存儲空間的管理

用于記錄磁盤空間的使用情況，便于更好地進行分配

空閑表法以及空閑鏈表法

空閑表法

空閑表法屬于連續(xù)分配吼砂，系統(tǒng)為外存上的所有空間建立一張空閑表逆航，每個空閑區(qū)對應(yīng)一個空閑表項

分配時采用首次適應(yīng)算法、循環(huán)首次適應(yīng)算法等

空閑鏈表法

將空閑鏈分為：空閑盤塊鏈渔肩、空閑盤區(qū)鏈

位圖法

通過位圖(二進制的一個位)來表示磁盤使用情況

成組鏈接法

文件共享與保護

• 基于索引節(jié)點的共享方式
• 利用符號鏈實現(xiàn)文件共享
• 磁盤容錯技術(shù)
  • 第一級容錯技術(shù)
    • 雙份目錄和雙份文件分配表
    • 熱修復(fù)重定向和后讀寫校驗
  • 第二級容錯技術(shù)
    • 磁盤鏡像
    • 磁盤雙工
  • 基于集群技術(shù)的容錯能力
    • 雙機熱備份模式
    • 雙機互為備份模式
    • 公用磁盤模式