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news 2025/11/6 10:02:59

我市精神文明建设的门户网站,河北搭建营销型网站,cpanel应用不显示wordpress,有学做美食的网站吗4.文件管理 4.1 文件系统基础 4.1.1 文件的基本概念定义文件是以计算机硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合#xff0c;在用户进行的输入、输出中#xff0c;以文件位基本单位。文件管理系统是实现的文件的访问、修改和保存#xff0c;对文件维护管理的系统。文件的…4.文件管理 4.1 文件系统基础 4.1.1 文件的基本概念定义文件是以计算机硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合在用户进行的输入、输出中以文件位基本单位。文件管理系统是实现的文件的访问、修改和保存对文件维护管理的系统。文件的组成存储空间用于存储数据标签便于对数据的分类和索引访问权限不同用户对数据有不同的访问权限文件的结构数据项是文件系统中最低级的数据组织形式可分为以下两种类型基本数据项用于描述一个对象的某种属性的一个值是数据中的最小逻辑单位。组合数据项由多个基本数据项组成。记录是一组相关的数据项的集合用于描述一个对象在某方面的属性。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分为有结构文件和无结构文件两种。在有结构的文件中文件由若干个相似的记录组成如一个班的学生记录无结构文件则被视为一个字符流比如一个二进制文件或字符文件。 4.1.2 文件控制块和索引结点文件控制块索引节点文件的属性文件名由创建文件的用户决定文件名主要是为了方便用户找到文件同一目录下不允许有重名文件标识符一个系统内的各文件标识符唯一对用户来说毫无可读性因此标识符只是操作系统用于区分各个文件的一种内部名称。重点关注类型指明文件的类型位置文件存放的路径让用户使用、在外存中的地址操作系统使用对用户不可见大小指明文件大小保护信息对文件进行保护的访问控制信息创建时间、最后一次修改时间和最后一次存取时间文件创建、上次修改和上次访问的相关信息用于保护和跟踪文件的使用。文件控制块FCB 文件控制块FCB是用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构以实现“按名存取。操作系统通过文件控制块FCB来维护文件元数据。FCB的有序集合称为文件目录一个FCB就是一个文件目录项。下图为一个典型的FCB。 FCB包含以下信息基本信息如文件名、文件的物理位置、文件的逻辑结构、文件的物理结构等。存取控制信息包括文件主的存取权限、核准用户的存取权限以及一般用户的存取权限。使用信息如文件建立时间、上次修改时间等。一个文件目录也被视为一个文件称为目录文件。索引结点在检索目录时只用到了文件名因此有的系统采用文件名与文件描述分开的方法使文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构简称 i 结点inode)。在文件目录中的每个目录项仅由文件名和指向该文件所对应的i结点的指针构成。假设一个FCB为64B盘块大小是1KB则每个盘块中可以存放16个FCBFCB必须连续存放若一个文件目录共有640个FCB则查找文件平均需要启动磁盘20次。而在UNIX系统中一个目录项仅占16B其中14B是文件名2B是 i 结点指针。在1KB的盘块中可存放64个目录项。这样可使查找文件的平均启动磁盘次数减少到原来的1/4大大节省了系统开销。磁盘索引结点它是指存放在磁盘上的索引结点。每个文件有一个唯一的磁盘索引结点主要包括以下内容文件主标识符拥有该文件的个人或小组的标识符。文件类型包括普通文件、目录文件或特别文件。文件存取权限各类用户对该文件的存取权限。文件物理地址每个索引结点中含有13个地址项即iaddr(0)iaddr(12)它们以直接或间接方式给出数据文件所在盘块的编号。文件长度指以字节为单位的文件长度。文件链接计教在本文件系统中所有指向该文件的文件名的指针计数。文件存取时间本文件最近被进程存取的时间、最近被修改的时间及索引结点最近被修改的时间。内存索引结点它是指存放在内存中的索引结点。当文件被打开时要将磁盘索引结点复制到内存的索引结点中便于以后使用。在内存索引结点中增加了以下内容索引结点编号用于标识内存索引结点。状态指示 i 结点是否上锁或被修改。访问计数每当有一进程要访问此 i 结点时计数加1访问结束减1。逻辑设备号文件所属文件系统的逻辑设备号。链接指针设置分别指向空闲链表和散列队列的指针。 4.1.3 文件的操作文件的基本操作文件属于抽象数据类型。为了正确地定义文件需要考虑可以对文件执行的操作。操作系统提供系统调用它对文件进行创建、写、读、重定位、删除和截断等操作。创建文件create系统调用为新文件分配必要的外存空间在目录中为之创建一个目录项目录项记录了新文件名、在外存中的地址及其他可能的信息。删除文件delete系统调用先从目录中检索指定文件名的目录项然后释放该文件所占的存储空间以便可被其他文件重复使用并删除目录条目。读文件read系统调用读指针对于给定文件名搜索目录以查找文件位置。系统维护一个读位置的指针。每当发生读操作时更新读指针。写文件write系统调用对于给定文件名搜索目录以查找文件位置。系统必须为该文件维护一个写位置的指针。每当发生写操作时便更新写指针。一个进程通常只对一个文件读或写因此当前操作位置可作为每个进程当前文件位置的指针。由于读和写操作都使用同一指针因此节省了空间也降低了系统复杂度。重新定位文件也称文件定位。搜索目录以找到适当的条目并将当前文件位置指针重新定位到给定值。重新定位文件不涉及读、写文件。截断文件允许文件所有属性不变并删除文件内容将其长度置为0并释放其空间。这6个基本操作可以组合起来执行其他文件操作。例如一个文件的复制可以创建新文件、从旧文件读出并写入新文件。文件的打开与关闭打开文件open系统调用过程调用open根据文件名搜索目录将指明文件的属性包括该文件在外存上的物理位置)从外存复制到内存打开文件表的一个表目中并将该表目的编号也称索引返回给用户。打开文件时并不会把文件数据直接读入内存。“索引号”也称“文件描述符”。打开以后所有的readwrite都是对文件描述符进行操作而不是文件名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。如上图所示在多个不同进程同时打开文件的操作系统中通常采用两级表整个系统表和每个进程表。整个系统的打开文件表包含FCB的副本及其他信息。每个进程的打开文件表根据它打开的所有文件包含指向系统表中适当条目的指针。一旦有进程打开了一个文件系统表就包含该文件的条目。当另一个进程执行调用open时只不过是在其文件打开表中增加一个条目并指向系统表的相应条目。关闭文件close系统调用 1.将进程的打开文件表相应表项删除2.回收分配给该文件的内存空间等资源3.系统打开文件表的打开计数器count减1若count0则删除对应表项。系统打开文件表为每个文件关联一个打开计数器OpenCount)以记录多少进程打开了该文件。文件名不必是打开文件表的一部分因为一且完成对FCB在磁盘上的定位系统就不再使用文件名。对于访问打开文件表的索引UNIX称之为文件描述符而Windows称之为文件句柄。因此只要文件未被关闭所有文件操作就通过打开文件表来进行。通常不管是系统还是进程的打开文件表在创建文件后都不会存储文件名一般都用文件描述符打开文件信息文件指针。系统跟踪上次的读写位置作为当前文件位置的指针这种指针对打开文件的某个进程来说是唯一的因此必须与磁盘文件属性分开保存。文件打开计数。计数器跟踪当前文件打开和关闭的数量。因为多个进程可能打开同一个文件所以系统在删除打开文件条目之前必须等待最后一个进程关闭文件。文件磁盘位置。大多数文件操作要求系统修改文件数据。查找磁盘上的文件所需的信息保存在内存中以便系统不必为每个操作都从磁盘上读取该信息。访问权限。每个进程打开文件都需要有一个访问模式创建、只读、读写、添加等。该信息保存在进程的打开文件表中以便操作系统能够允许或拒绝后续的I/O请求。 4.1.4 文件保护文件保护通过口令保护、加密保护和访问控制等方式实现。其中口令和加密是为了防止用户文件被他人存取或窃取而访问控制则用于控制用户对文件的访问方式。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异或加密访问控制访问类型对文件的保护可从限制对文件的访问类型中出发。可加以控制的访问类型主要有以下几种。读。从文件中读。写。向文件中写。执行。将文件装入内存并执行。添加。将新信息添加到文件结尾部分。删除。删除文件释放空间。列表清单。列出文件名和文件属性。此外还可以对文件的重命名、复制、编辑等加以控制。这些高层的功能可以通过系统程序调用低层系统调用来实现。保护可以只在低层提供。访问控制解决访问控制最常用的方法是根据用户身份进行控制。而实现基于身份访问的最为普通的方法是为每个文件和目录增加一个访问控制列表Access-Control ListACL以规定每个用户名及其所允许的访问类型。优点可以使用复杂的访问方法缺点长度无法预计并且可能导致复杂的空间管理使用精简的访问列表可以解决这个问题精简的访问列表采用拥有者、组和其他三种用户类型。拥有者。创建文件的用户。组。一组需要共享文件且具有类似访问的用户。其他。系统内的所有其他用户。文件主在创建文件时说明创建者用户名及所在的组名系统在创建文件时也将文件主的名字、所属组名列在该文件的FCB中。用户访问该文件时若用户是文件主按照文件主所拥有的权限访问文件若用户和文件主在同一个用户组则按照同组权限访问否则只能按其他用户权限访问。 4.1.5 文件的逻辑结构从用户角度看到的文件系统文件的逻辑结构是从用户观点出发看到的文件的组织形式。文件的物理结构存储结构是从实现观点出发看到的文件在外存上的存储组织形式。文件的逻辑结构与存储介质特性无关它实际上是指在文件的内部数据逻辑上是如何组织起来的。无结构文件流式文件如.txt文本文件无结构文件将数据按顺序组织成记录并积累、保存它是有序相关信息项的集合以字节Byte为单位。只能通过穷举搜索的方式访问记录。其管理简单用户操作方便。对基本信息单位操作不多的文件适于采用字符流的无结构文件。例如源程序文件、目标代码文件等。有结构文件记录式文件如数据库表文件顺序文件文件中的记录一个接一个地顺序排列逻辑上记录可以是定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。链式存储无论是定长何变长记录都无法实现随机存取每次只能从第一个记录开始依次往后查找顺序存储可实现随机存取记录长度为L则第ⅰ个记录存放的相对位置是i*L 若采用串结构记录之间的顺序与关键字无关无法快速找到某关键字对应的记录若采用顺序结构可以快速找到某关键字对应的记录如折半查找定长记录的顺序文件若物理上采用顺序存储则可实现随机存取若能再保证记录的顺序结构则可实现快速检索即根据关键字快速找到对应记录优点读写一大批文件时效率最高。适用于顺序存储设备磁带缺点不方便增加、删除记录索引文件索引表高效查询变长记录文件。索引表本身是定长记录的顺序文件因此可以快速找到第ⅰ个记录对应的索引项。方式可将关键字作为索引号内容若按关键字顺序排列则还可以支持按照关键字折半查找每当要增加/删除一个记录时需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合。索引顺序文件索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中同样会为文件建立一张索引表但不同的是并不是每个记录对应一个索引表项而是一组记录对应一个索引表项。将记录分组每组对应一个素引表项检素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素引表如上图所示主文件名包含姓名和其他数据项。姓名为关键字索引表中为每组的第一条记录不是每条记录的关键字值用指针指向主文件中该记录的起始位置。索引表只包含关键字和指针两个数据项所有姓名关键字递增排列。主文件中记录分组排列同一个组中的关键字可以无序但组与组之间的关键字必须有序。查找一条记录时首先通过索引表找到其所在的组然后在该组中使用顺序查找就能很快地找到记录。直接文件或散列文件Hash File 给定记录的键值或通过散列函数转换的键值直接决定记录的物理地址。这种映射结构不同于顺序文件或索引文件没有顺序的特性。散列文件有很高的存取速度但是会引起冲突即不同关键字的散列函数值相同。 4.1.6 文件的物理结构从os的角度看文件系统文件的物理结构就是研究文件的实现即文件数据在物理存储设备上是如何分布和组织的。文件分配对应于文件的物理结构是指如何为文件分配磁盘块。常用的磁盘空间分配方法有三种连续分配、链接分配和索引分配。连续分配连续分配方法要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。磁盘地址定义了磁盘上的一个线性排序这种排序使作业访问磁盘时需要的寻道数和寻道时间最小。物理块号起始块号逻辑块号优点支持顺序访问和直接访问即随机访问连续分配的文件在顺序访问时速度最快。缺点不方便文件拓展、存储空间利用率低、会产生磁盘碎片外部碎片。 ①文件长度不宜动态增加因为一个文件末尾后的盘块可能已分配给其他文件一旦需要增加就需要大量移动盘块。②为保持文件的有序性删除和插入记录时需要对相邻的记录做物理上的移动还会动态改变文件的长度。③反复增删文件后会产生外部碎片与内存管理分配方式中的碎片相似。④很难确定一个文件需要的空间大小因而只适用于长度固定的文件。访存次数访问第n条记录需访问磁盘1次链接分配链接分配采取离散分配的方式可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。访问第n条记录需访问磁盘n次隐式链接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。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。优点很方便文件拓展不会有碎片问题外存利用率高。缺点只支持顺序访问不支持随机访问查找效率低指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。结论采用隐式链接的链接分配方式很方便文件拓展。另外所有的空闲磁盘块都可以被利用不会有碎片问题外存利用率高指针在盘块当中要知道下一块的话就必须读这块会产生读磁盘操作降低了一定的访问效率显式链接把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在文件分配表FAT中。一个磁盘只会建立一张文件分配表。开机时文件分配表放入内存并常驻内存。优点很方便文件拓展不会有碎片问题外存利用率高并且支持随机访问。相比于隐式链接来说地址转换时不需要访问磁盘因此文件的访问效率更高。缺点文件分配表的需要占用一定的存储空间。结论采用链式分配显式链接方式的文件支持顺序访问也支持随机访问想访问ⅰ号逻辑块时并不需要依次访问之前的0~-1号逻辑块由于块号转换的过程不需要访问磁盘因此相比于隐式链接来说访问速度快很多。相比于隐式逻辑块号到物理块号不需要读磁盘操作文件访问效率更高文件分配表FAT不仅记录了文件分配信息显示链接还“兼职”做了空闲块管理每个表项中还会存放下一块盘块号索引分配索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中系统会为每个文件建立一张索引表索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。索引表的逻辑块号可以是隐含的进一步节约空间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。缺点需要顺序访问当文件很大时查我效率低下多层索引建立多层索引原理类似于多级页表。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。采用K层索引结构且顶级索引表未调入内存则访问一个数据块只需要K1次读磁盘操作缺点即使是小文件访问数据块也需受K1次读磁盘混合索引多种索引分配方式的结合。例如一个文件的顶级索引表中既包含直接地址索引直接指向数据块又包含一级间接索引指向单层索引表、还包含两级间接索引指向两层索引表。所允许的文件最大长度设有N0个直接地址项N1个一次间接地址项N2个二次间接地址项每个盘块大小M字节盘块号占m个字节公式如下文件最大长度 ( N 0 N 1 ⋅ M m N 2 ⋅ ( M m ) 2 ) ⋅ M 文件最大长度(N_0 N_1·\frac{M}{m}N_2·(\frac{M}{m})^2)·M 文件最大长度(N0N1⋅mMN2⋅(mM)2)⋅M 优点对于小文件只需较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块。一般计算机中小文件更多总结 4.1.7 本节小结 1什么是文件文件是以计算机硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合它的形式多样。 2单个文件的逻辑结构和物理结构之间是否存在某些制约关系文件的逻辑结构是用户可见的结构即从用户角度看到的文件的全貌。文件的物理结构是文件在存储器上的组织结构。它和文件的存取方法以及存储设备的特性等都有着密切的联系。单个文件的逻辑结构和物理结构之间虽无明显的制约或关联关系但是如果物理结构选择不慎也很难体现出逻辑结构的特点比如一个逻辑结构是顺序结构而物理结构是隐式链接结构的文件即使理论上可以很快找出某条记录的地址而实际仍需在磁盘上一块一块地找。学到这里时读者应能有这样的体会现代操作系统的思想中处处能见到面向对象程序设计的影子。本节我们学习的一个新概念一—文件实质上就是一个抽象数据类型也就是一种数据结构若读者在复习操作系统之前已复习完数据结构则遇到一种新的数据结构时一定会有这样的意识要认识它的逻辑结构、物理结构以及对这种数据结构的操作。
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