操作系統(tǒng)知識點總結(jié)第四章文件管理12024/3/26CATALOGUE目錄文件管理概述文件結(jié)構(gòu)與組織文件目錄管理文件存儲空間管理文件共享與保護機制文件系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)中新型文件系統(tǒng)介紹22024/3/26文件管理概述0132024/3/26文件概念及作用文件定義文件是操作系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理的基本單位，通常是一組相關(guān)數(shù)據(jù)的集合。文件作用文件在操作系統(tǒng)中扮演著重要角色，它們用于存儲程序、數(shù)據(jù)、文檔等資源，支持用戶和系統(tǒng)之間的交互，以及實現(xiàn)不同程序之間的數(shù)據(jù)共享和通信。42024/3/26文件是文件系統(tǒng)中的基本組成單位，包含用戶數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)（如文件名、創(chuàng)建時間、訪問權(quán)限等）。文件目錄是文件系統(tǒng)中的一種特殊文件，用于組織和存儲其他文件和目錄。通過目錄，用戶可以方便地組織和訪問自己的文件。目錄/文件夾文件系統(tǒng)通常采用樹形結(jié)構(gòu)，以根目錄為起點，通過各級子目錄和文件構(gòu)成整個文件系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)有利于文件的管理和訪問。文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)組成52024/3/26文件操作常見的文件操作包括創(chuàng)建文件、打開文件、讀/寫文件、關(guān)閉文件和刪除文件等。這些操作通常由操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用或庫函數(shù)實現(xiàn)。文件訪問方法文件的訪問方法主要有順序訪問、隨機訪問和索引訪問三種。順序訪問按照文件的邏輯順序進(jìn)行讀寫；隨機訪問允許直接跳轉(zhuǎn)到文件的任意位置進(jìn)行讀寫；索引訪問則通過建立索引表來提高文件訪問效率。文件保護與安全操作系統(tǒng)需要提供文件保護機制，以確保文件的完整性、保密性和可用性。這包括設(shè)置文件訪問權(quán)限、采用加密技術(shù)等手段。同時，為了防止數(shù)據(jù)丟失，還需要實現(xiàn)文件的備份和恢復(fù)功能。文件操作與訪問方法62024/3/26文件結(jié)構(gòu)與組織0272024/3/26指用戶所看到的文件組織形式，包括流式文件和記錄式文件兩種。流式文件以字節(jié)為單位進(jìn)行組織，而記錄式文件則以記錄為單位進(jìn)行組織。指文件在存儲設(shè)備上的存放方法，與存儲設(shè)備的物理特性有關(guān)。常見的物理結(jié)構(gòu)有連續(xù)文件、串聯(lián)文件和索引文件等。邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)物理結(jié)構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)82024/3/26文件中的記錄按照某種順序進(jìn)行排列，通常是按照記錄的鍵值進(jìn)行排序。順序文件的優(yōu)點是訪問速度快，適用于進(jìn)行大量的順序訪問操作。順序文件為文件中的每個記錄或一組記錄建立一個索引項，通過索引項可以快速地定位到相應(yīng)的記錄。索引文件的優(yōu)點是支持隨機訪問和快速查找，但需要維護索引表，增加了存儲空間的開銷。索引文件順序文件與索引文件92024/3/26散列文件利用散列函數(shù)將記錄的鍵值映射到存儲設(shè)備上的某個位置，然后通過直接訪問該位置來讀取或?qū)懭胗涗洝Ｉ⒘形募膬?yōu)點是訪問速度快，適用于進(jìn)行大量的隨機訪問操作。鏈?zhǔn)轿募⑽募械挠涗涙準(zhǔn)降劓溄釉谝黄?，每個記錄都包含指向下一個記錄的指針。鏈?zhǔn)轿募膬?yōu)點是可以動態(tài)地分配存儲空間，適用于記錄大小不固定或需要頻繁插入和刪除記錄的情況。但鏈?zhǔn)轿募脑L問速度較慢，需要遍歷鏈表才能找到目標(biāo)記錄。散列文件與鏈?zhǔn)轿募?02024/3/26文件目錄管理03112024/3/26123所有文件都放在根目錄下，查找速度快，但不利于文件管理和保護。單級目錄結(jié)構(gòu)按用戶分組，每個用戶有一個自己的目錄，解決了文件重名問題，但不同用戶間文件共享不便。兩級目錄結(jié)構(gòu)在兩級目錄結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，允許用戶進(jìn)一步細(xì)分自己的目錄，便于文件分類和管理，提高了文件系統(tǒng)的靈活性和可維護性。多級目錄結(jié)構(gòu)（樹形目錄結(jié)構(gòu)）目錄結(jié)構(gòu)類型及特點122024/3/26遍歷目錄樹按照一定規(guī)則遍歷整個目錄樹，可用于文件搜索、備份等操作。列出目錄內(nèi)容顯示指定目錄下的文件和子目錄列表。更改目錄改變當(dāng)前工作目錄，將新目錄設(shè)置為當(dāng)前目錄。創(chuàng)建目錄在用戶指定位置創(chuàng)建一個新目錄，分配相應(yīng)的存儲空間。刪除目錄刪除指定目錄及其下所有文件和子目錄，釋放相應(yīng)存儲空間。目錄操作與實現(xiàn)方法132024/3/26目錄安全性與保護機制訪問控制通過用戶身份驗證和權(quán)限控制，限制用戶對目錄和文件的訪問和操作。加密保護對敏感文件和目錄進(jìn)行加密處理，確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的安全性。日志記錄記錄用戶對目錄和文件的操作歷史，便于事后審計和故障排查。備份與恢復(fù)定期對重要文件和目錄進(jìn)行備份，以防止數(shù)據(jù)丟失或損壞。同時提供數(shù)據(jù)恢復(fù)機制，確保在發(fā)生故障時能夠及時恢復(fù)數(shù)據(jù)。142024/3/26文件存儲空間管理04152024/3/26利用二進(jìn)制位串表示存儲空間的使用情況，0表示空閑，1表示占用。通過位運算實現(xiàn)空閑塊的分配和回收。位示圖法系統(tǒng)維護一個空閑塊鏈表，鏈表中每個節(jié)點代表一個空閑塊。分配空閑塊時從鏈表頭部取出一個節(jié)點，回收空閑塊時將節(jié)點插入鏈表頭部。空閑塊表法將空閑塊分組，每組的第一塊登記了下一組空閑塊的物理地址。分配空閑塊時從第一組開始查找，回收空閑塊時將其歸入所屬組，并修改相應(yīng)登記項?？臻e塊成組鏈接法空閑空間管理方法162024/3/26連續(xù)分配策略為每個文件分配一組連續(xù)的物理塊。適用于順序訪問的文件，但容易產(chǎn)生外部碎片，且文件動態(tài)增長時不易處理。鏈接分配策略將文件分散到多個不連續(xù)的物理塊中，通過指針鏈接。消除了外部碎片，但訪問效率較低，且指針本身占用存儲空間。索引分配策略系統(tǒng)為每個文件分配一個索引表，索引表中的每個表項指向一個物理塊。支持文件動態(tài)增長和高效隨機訪問，但需要額外的索引表存儲空間。存儲空間分配策略172024/3/26數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)利用數(shù)據(jù)冗余性進(jìn)行壓縮，減少存儲空間占用。適用于文本、圖像、音頻等文件類型。自動精簡配置技術(shù)根據(jù)實際需求動態(tài)分配存儲空間，避免浪費。適用于虛擬機、容器等場景。數(shù)據(jù)去重技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸或存儲前進(jìn)行去重處理，減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸、云存儲等場景。重復(fù)數(shù)據(jù)刪除技術(shù)通過識別并刪除重復(fù)數(shù)據(jù)來減少存儲空間占用。適用于備份、歸檔等場景。外存空間利用優(yōu)化技術(shù)182024/3/26文件共享與保護機制05192024/3/26利用符號鏈實現(xiàn)文件共享通過創(chuàng)建一個包含共享文件路徑的符號鏈（symboliclink），使得多個用戶可以通過該符號鏈訪問共享文件?；诜植际轿募到y(tǒng)的共享方式在分布式文件系統(tǒng)中，文件被存儲在多個節(jié)點上，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問這些節(jié)點上的文件，實現(xiàn)文件共享?；谒饕Y(jié)點的共享方式利用索引結(jié)點（i-node）實現(xiàn)文件共享，多個用戶可以通過不同的文件名或路徑訪問同一索引結(jié)點，從而實現(xiàn)文件共享。文件共享方式及實現(xiàn)方法202024/3/26文件訪問權(quán)限設(shè)置與檢查在操作系統(tǒng)中，可以為每個文件和目錄設(shè)置訪問權(quán)限，包括讀權(quán)限、寫權(quán)限和執(zhí)行權(quán)限。這些權(quán)限可以針對不同的用戶或用戶組進(jìn)行設(shè)置。訪問權(quán)限檢查當(dāng)用戶嘗試訪問某個文件時，操作系統(tǒng)會檢查該用戶是否具有相應(yīng)的訪問權(quán)限。如果用戶沒有相應(yīng)的權(quán)限，則會被拒絕訪問。特殊權(quán)限處理除了基本的讀、寫和執(zhí)行權(quán)限外，還有一些特殊的權(quán)限，如設(shè)置粘滯位（stickybit）或設(shè)置setuid/setgid位等，這些權(quán)限可以影響文件的訪問和執(zhí)行方式。訪問權(quán)限設(shè)置212024/3/26事務(wù)處理日志記錄備份與恢復(fù)并發(fā)控制數(shù)據(jù)一致性保障措施對文件的修改操作進(jìn)行日志記錄，以便在發(fā)生故障時可以恢復(fù)到一致的狀態(tài)。定期對重要文件進(jìn)行備份，并在必要時進(jìn)行恢復(fù)，以確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。采用適當(dāng)?shù)牟l(fā)控制機制，如鎖機制或時間戳等，以避免多個用戶對同一文件進(jìn)行同時修改而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致的情況。通過引入事務(wù)機制，確保對文件的修改要么全部完成，要么全部不完成，從而保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性。222024/3/26文件系統(tǒng)性能優(yōu)化技術(shù)06232024/3/26緩沖區(qū)的類型根據(jù)使用方式不同，緩沖區(qū)可分為單緩沖、雙緩沖、循環(huán)緩沖和緩沖池等類型。緩沖區(qū)的管理策略包括緩沖區(qū)的分配、回收、置換等策略，以及緩沖區(qū)與磁盤、CPU之間的同步和互斥等問題。緩沖區(qū)的引入在內(nèi)存中劃分出一塊區(qū)域作為緩沖區(qū)，用于暫存從磁盤讀入的數(shù)據(jù)或?qū)懭氪疟P的數(shù)據(jù)。緩沖區(qū)管理技術(shù)242024/3/26先來先服務(wù)（FCFS）算法按照請求到達(dá)的順序進(jìn)行服務(wù)，簡單公平但效率不高。優(yōu)先選擇距離當(dāng)前磁頭位置最近的請求進(jìn)行服務(wù)，能夠減少磁頭移動距離，提高效率。磁頭按照一個方向移動，服務(wù)途中遇到的請求，直到到達(dá)該方向盡頭后返回，途中繼續(xù)服務(wù)請求。在SCAN算法基礎(chǔ)上改進(jìn)，磁頭到達(dá)盡頭后不再返回，而是繼續(xù)向另一方向移動，直到所有請求都被服務(wù)。最短尋道時間優(yōu)先（SSTF）算法掃描（SCAN）算法循環(huán)掃描（CSCAN）算法磁盤調(diào)度算法改進(jìn)252024/3/26直接內(nèi)存訪問（DMA）技術(shù)可以讓I/O設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)，減少CPU的干預(yù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。DMA技術(shù)在內(nèi)存中設(shè)置高速緩存區(qū)用于存放頻繁訪問的數(shù)據(jù)，可以減少對磁盤的訪問次數(shù)，提高I/O性能。高速緩存技術(shù)采用中斷處理方式可以讓CPU在I/O操作期間執(zhí)行其他任務(wù)，實現(xiàn)并發(fā)操作，提高系統(tǒng)整體效率。中斷處理引入I/O通道可以進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，實現(xiàn)I/O操作的并行處理，提高I/O性能。I/O通道技術(shù)I/O性能提升策略262024/3/26現(xiàn)代操作系統(tǒng)中新型文件系統(tǒng)介紹07272024/3/26VS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）是一種分布式文件系統(tǒng)協(xié)議，允許計算機客戶端遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器上的文件。NFS基于客戶端-服務(wù)器架構(gòu)，客戶端通過掛載遠(yuǎn)程服務(wù)器上的文件系統(tǒng)，可以像訪問本地文件一樣訪問遠(yuǎn)程文件。應(yīng)用場景NFS廣泛應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)文件共享和協(xié)作。例如，多個部門或團隊可以共享同一份文檔或數(shù)據(jù)，提高團隊協(xié)作效率。同時，NFS也支持跨平臺文件訪問，使得不同操作系統(tǒng)之間的文件共享成為可能。原理網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）原理及應(yīng)用場景282024/3/26分布式文件系統(tǒng)（DFS）原理及應(yīng)用場景分布式文件系統(tǒng)（DFS）是一種允許多臺計算機通過網(wǎng)絡(luò)共享文件和存儲資源的文件系統(tǒng)。DFS采用分布式架構(gòu)，將數(shù)據(jù)分散存儲在多個節(jié)點上，提供統(tǒng)一的命名空間和文件訪問接口。原理DFS適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲和高并發(fā)訪問場景。例如，云計算平臺、大數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)、在線視頻服務(wù)等。通過DFS，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式存儲、負(fù)載均衡、容錯和可擴展性等功能。應(yīng)用場景292024/3/26對象存儲是