1、第8章 文件管理,8.1 文件和文件系統(tǒng)（重點） 8.2 文件的邏輯結(jié)構(gòu)（重點） 8.3 文件目錄（重點） 8.4 文件共享 8.5 文件保護,8.1 文件和文件系統(tǒng)（重點）,文件、記錄和數(shù)據(jù)項 文件名和類型 文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 文件操作,1. 文件、記錄和數(shù)據(jù)項,文件系統(tǒng)的管理功能 通過把它所管理的程序和數(shù)據(jù)，組織成一系列文件的方法來實現(xiàn)的。 文件 指具有文件名的若干相關(guān)元素的集合,元素通常是記錄。 記錄 一組有意義的數(shù)據(jù)項的集合。,1. 文件、記錄和數(shù)據(jù)項,三級數(shù)據(jù)組成 基于文件系統(tǒng)的概念，可以把數(shù)據(jù)組成分為數(shù)據(jù)項、記錄和文件三級。,數(shù)據(jù)項及類型 基本數(shù)據(jù)項：這是用于描述一個對象的某種屬性

2、的字符集，是數(shù)據(jù)組織中可以命名的最小邏輯數(shù)據(jù)單位，又稱為字段。 組合數(shù)據(jù)項：是由若干個基本數(shù)據(jù)項組成的，簡稱組項。 基本數(shù)據(jù)項除了數(shù)據(jù)名外，還應(yīng)有數(shù)據(jù)類型。因為基本項僅是描述某個對象的屬性，根據(jù)屬性的不同，需要用不同的數(shù)據(jù)類型來描述。,記錄 是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項的集合，用于描述一個對象在某方面的屬性。 關(guān)鍵字(key)： 惟一能標(biāo)識一個記錄的數(shù)據(jù)項。通常，只需用一個數(shù)據(jù)項作為關(guān)鍵字。,文件 由創(chuàng)建者所定義的、具有文件名的一組相關(guān)元素的集合。在文件系統(tǒng)中是一個最大的數(shù)據(jù)單位，它描述了一個對象集。 文件屬性： 文件類型 文件長度 文件的物理位置 文件的建立時間,2.文件名和類型,文件名和擴展名 文件名

3、：在不同的系統(tǒng)之間，對文件名的規(guī)定是不同的，在一些老的系統(tǒng)中，名字的長度受到限制。 擴展名：擴展名是添加在文件名后面的若干個附加字符，又稱為后綴名，用于指示文件的類型，是文件名中的重要組成部分。在大多數(shù)系統(tǒng)中，是用圓點“.”將文件名和擴展名分開的,2.文件名和類型,文件類型 按用途分類：系統(tǒng)文件、用戶文件、庫文件。 按文件中數(shù)據(jù)的形式分類：源文件、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件。 按存取控制屬性分類：只執(zhí)行文件、只讀文件、讀寫文件。 按組織形式和處理方式分類：普通文件、目錄文件、特殊文件。,3. 文件系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),文件系統(tǒng)的模型,對象及其屬性 文件管理系統(tǒng)管理的對象有：文件、目錄和磁盤(磁帶)存儲空間

4、。,對對象操縱和管理的軟件集合 對文件存儲空間的管理； 對文件目錄的管理； 文件的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的機制； 對文件讀和寫的管理； 對文件的共享與保護等功能。 現(xiàn)代OS通常都采取了層次組織結(jié)構(gòu)實現(xiàn)這些功能。,文件系統(tǒng)的接口 文件系統(tǒng)提供了一組使用和操作文件和記錄的手段，以方便用戶使用文件系統(tǒng)。通常向用戶提供兩種類型的接口：命令接口和程序接口。,4. 文件操作,最基本的文件操作 創(chuàng)建文件 刪除文件 讀文件 寫文件 設(shè)置文件的讀/寫位置等。,4. 文件操作,文件的“打開”和“關(guān)閉”操作 為了避免多次重復(fù)地檢索目錄，節(jié)省檢索開銷，提高對文件的操作速度，將指定文件名文件的屬性，從外存拷貝到內(nèi)存打開

5、文件表的一個表目中，在用戶和指定文件之間，建立起一個連接。以后，用戶可直接通過該連接訪問該文件，從而避免了對該文件的再次檢索。 當(dāng)用戶已不再需要對該文件實施相應(yīng)的操作時，可利用“關(guān)閉”(close)系統(tǒng)調(diào)用來關(guān)閉此文件，斷開此連接，OS將會把該文件，從打開文件表中的表目上刪除掉。,8.2 文件的邏輯結(jié)構(gòu),文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型 順序文件 索引文件 索引順序文件 直接文件和哈希文件,文件組織的兩種觀點,用戶觀點（邏輯結(jié)構(gòu)） 研究的是用戶思維中的抽象文件，也叫邏輯文件。其目的是為用戶提供一種結(jié)構(gòu)清晰、使用簡便的邏輯組織。用戶按此去存儲、檢索和加工處理有關(guān)文件信息。 實現(xiàn)觀點（物理結(jié)構(gòu)） 研究的是存儲在

6、物理設(shè)備介質(zhì)上的實際文件，即物理文件。其目的是選擇一些性能良好、設(shè)備利用率高的物理結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)按此和外部設(shè)備打交道，控制信息的傳輸。,8.2.1文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型,有結(jié)構(gòu)文件 又稱為記錄式文件，根據(jù)記錄的長度分為：定長記錄和變長記錄。 根據(jù)文件的組織方式，進一步分為：順序文件、索引文件、索引順序文件 無結(jié)構(gòu)文件 又稱為流式文件，如源程序等,8.2.2 順序文件,順序文件 它是指由一系列記錄，按照某種順序排列所形成的文件。,1.順序文件的排列方式 串結(jié)構(gòu)：記錄通常是按存入時間的先后進行排序，各記錄之間的順序與關(guān)鍵字無關(guān)。對串結(jié)構(gòu)文件進行檢索是比較費時的。 順序結(jié)構(gòu)：由用戶指定一個字段作為關(guān)鍵字，文

7、件中的所有記錄就可以按關(guān)鍵字來排序。順序結(jié)構(gòu)文件可有更高的檢索速度和效率,2.順序文件的優(yōu)缺點 優(yōu)點： 適應(yīng)用于對諸記錄進行批量存取的場合； 對順序文件的存取效率是所有邏輯文件中最高的；也只有順序文件才能被存儲在磁帶上，并能有效地工作。 缺點： 在交互應(yīng)用的場合，順序文件所表現(xiàn)出來的性能就可能很差；如果想增加或刪除一個記錄，都比較困難。,3.記錄尋址 隱式尋址,顯示尋址方式 該方式可用于對定長記錄的文件，實現(xiàn)直接或隨機訪問。,8.2.3 索引文件,1.按關(guān)鍵字建立索引 為變長記錄文件建立一張索引表，對主文件中的每個記錄，在索引表中設(shè)有一個相應(yīng)表項，用于記錄該記錄的長度L，以及指向該記錄的指針(

8、指向該記錄在邏輯地址空間的首址)。 由于索引表是按關(guān)鍵字排序的，是一個定長記錄的順序文件，這樣就把對變長記錄順序文件的順序檢索，轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΧㄩL記錄索引文件的隨機檢索，從而加快對記錄檢索的速度，能實現(xiàn)直接存取。,2.具有多個索引表的索引文件 不同的用戶，為了不同的目的，希望能按不同的屬性（或不同的關(guān)鍵字）來檢索一條記錄。 為實現(xiàn)此要求，需要為順序文件建立多個索引表，即為每一種可能成為檢索條件的域（屬性或關(guān)鍵字），都配置一張索引表。在每一個索引表中，都是按相應(yīng)的一種屬性或關(guān)鍵字進行排序。這樣用戶也就可以根據(jù)自己的需要，用不同的關(guān)鍵字來進行檢索。,8.2.4 索引順序文件,1.索引順序文件的特征 保留

9、了順序文件的關(guān)鍵特征，即記錄是按關(guān)鍵字的順序組織起來的。 增加了兩個新特征： 引入了文件索引表，通過該表可以實現(xiàn)對索引順序文件的隨機訪問； 另一個是增加了溢出文件，用它來記錄新增加的、刪除的和修改的記錄。,2.一級索引順序文件,一級索引建立方法 將變長記錄順序文件中的所有記錄，分為若干個組； 為順序文件建立一張索引表，并為每組中的第一個記錄，在索引表中建立一個索引項，其中含有該記錄的關(guān)鍵字和指向該記錄的指針。 性能評價 檢索效率S比順序文件約提高N /2倍。,3. 兩級索引順序文件,對于一個非常大的文件，為找到一個記錄而須查找的記錄數(shù)目仍然很多，為了進一步提高檢索效率，可以為順序文件建立多級索

10、引，即為索引文件再建立一張索引表，從而形成兩級索引表。,8.2.5 直接文件和哈希文件,1.直接文件 可根據(jù)給定的關(guān)鍵字，直接獲得指定記錄的物理地址，即關(guān)鍵字本身就決定了記錄的物理地址。這種由關(guān)鍵字到記錄物理地址的轉(zhuǎn)換，被稱為鍵值轉(zhuǎn)換。 2.哈希(Hash)文件 利用Hash函數(shù)(或稱散列函數(shù))，可將關(guān)鍵字轉(zhuǎn)換為相應(yīng)記錄的地址。,8.3 文件目錄,文件控制塊和索引結(jié)點 簡單的文件目錄 樹形目錄結(jié)構(gòu) 目錄查詢技術(shù),對目錄管理的要求,(1) 實現(xiàn)“按名存取”，即用戶只須向系統(tǒng)提供所需訪問文件的名字，便能快速準(zhǔn)確地找到指定文件在外存上的存儲位置。 (2)提高對目錄的檢索速度，通過合理地組織目錄結(jié)構(gòu)的

11、方法，可加快對目錄的檢索速度，從而提高對文件的存取速度。 (3)文件共享，在多用戶系統(tǒng)中，應(yīng)允許多個用戶共享一個文件。 (4)允許文件重名，系統(tǒng)應(yīng)允許不同用戶對不同文件采用相同的名字，以便于用戶按照自己的習(xí)慣給文件命名和使用文件。,8.3.1 文件控制塊和索引結(jié)點,1.文件控制塊FCB(File Control Block) 為了能對一個文件進行正確的存取，為文件設(shè)置的用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。文件管理程序可借助于文件控制塊中的信息，對文件施以各種操作。 文件控制塊的有序集合（文件與文件控制塊一一對應(yīng)），一個文件控制塊就是一個文件目錄項。 通常，一個文件目錄也被看作是一個文件，稱為目錄文件

12、。,FCB包含的信息,(1)基本信息類：文件名、文件物理位置、文件邏輯結(jié)構(gòu)、文件的物理結(jié)構(gòu)。 (2)存取控制信息類：文件主的存取權(quán)限、核準(zhǔn)用戶的存取權(quán)限以及一般用戶的存取權(quán)限。 (3)使用信息類：文件的建立日期和時間、文件上一次修改的日期和時間、當(dāng)前已打開該文件的進程數(shù)、是否被其它進程鎖住、文件在內(nèi)存中是否已被修改但尚未拷貝到盤上等。,2.索引結(jié)點,（1）索引結(jié)點的引入 文件目錄通常是存放在磁盤上的，可能要占用大量的盤塊。在查找目錄的過程中，需要多次啟動磁盤。 實際上，在檢索目錄文件的過程中，只用到了文件名，而其它信息在不需調(diào)入內(nèi)存。 為此，如UNIX系統(tǒng)，便采用了把文件名與文件描述信息分開的

13、辦法，亦即，使文件描述信息單獨形成一個稱為索引結(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，簡稱為i結(jié)點。,（2）磁盤索引結(jié)點 存放在磁盤上的索引結(jié)點，每個文件有惟一的一個磁盤索引結(jié)點。 內(nèi)容： 文件主標(biāo)識符、文件類型、文件存取權(quán)限、文件物理地址、文件長度、文件連接計數(shù)、文件存取時間等。,（3）內(nèi)存索引結(jié)點 存放在內(nèi)存中的索引結(jié)點，當(dāng)文件被打開時，要將磁盤索引結(jié)點拷貝到內(nèi)存的索引結(jié)點中，便于以后使用。 內(nèi)容： 索引結(jié)點編號、狀態(tài)、訪問計數(shù)、文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設(shè)備號、鏈接指針等。,8.3.2 簡單的文件目錄,1.單級文件目錄 為所有文件建立一個目錄文件。 優(yōu)點：簡單且能實現(xiàn)目錄管理的基本功能按名存取。 缺點：查找速度慢、

14、不允許重名、不便于實現(xiàn)文件共享,2.兩級文件目錄 為改變一級目錄文件目錄命名沖突，并提高對目錄文件檢索速度而將目錄分為兩級：一級稱為主文件目錄，給出用戶名，用戶子目錄所在的物理位置；二級稱為用戶文件目錄，給出該用戶所有文件的FCB。 優(yōu)點：解決了文件的重名問題和文件共享問題，提高搜索速度，查找時間降低。 缺點：不太適合大量用戶和大量文件的大系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)開銷。,8.3.3 樹形結(jié)構(gòu)目錄,1.樹形目錄 多級目錄結(jié)構(gòu)也稱樹形目錄，產(chǎn)生于UNIX操作系統(tǒng)，巳被現(xiàn)代操作系統(tǒng)廣泛采用。 優(yōu)點：層次結(jié)構(gòu)清晰，便于管理和保護；有利于文件分類；解決重名問題；提高文件檢索速度；能進行存取權(quán)限的控制。 缺點：查

15、找一個文件按路徑名逐層檢查，由于每個文件都放在外存，多次訪盤影響速度。,2.路徑名 在樹形目錄結(jié)構(gòu)中，從根目錄到任何數(shù)據(jù)文件，都只有一條惟一的通路。在該路徑上從樹的根(即主目錄)開始，把全部目錄文件名與數(shù)據(jù)文件名，依次地用“/”連接起來，即構(gòu)成該數(shù)據(jù)文件的路徑名。系統(tǒng)中的每一個文件都有惟一的路徑名。 3.當(dāng)前目錄 為了提高文件檢索速度，文件系統(tǒng)向用戶提供了一個當(dāng)前正在使用的目錄，稱為當(dāng)前目錄（也稱工作目錄或值班目錄）。,4.目錄操作 （1）創(chuàng)建目錄 （2）刪除目錄 （3）改變目錄 （4）移動目錄 （5）鏈接（Link）操作 （6）查找,8.3.4 目錄查詢技術(shù),1.線性檢索法 線性檢索法又稱為

16、順序檢索法。在單級目錄中，利用用戶提供的文件名，用順序查找法直接從文件目錄中找到指名文件的目錄項。在樹型目錄中，用戶提供的文件名是由多個文件分量名組成的路徑名，此時須對多級目錄進行查找。,圖8-12 查找/usr/ast/mbox的過程示意圖,2.Hash方法 如果我們建立了一張Hash索引文件目錄，便可利用Hash方法進行查詢，即系統(tǒng)利用用戶提供的文件名，并將它變換為文件目錄的索引值，再利用該索引值到目錄中去查找，將顯著地提高檢索速度。,8.4 文件共享,1.基于有向無環(huán)圖實現(xiàn)文件共享 2.利用符號鏈接實現(xiàn)文件共享,文件共享形式與目的,定義 一個文件被多個用戶或程序使用 共享形式 被多個用戶

17、使用，由存取權(quán)限控制； 被多個程序使用，但各用自己的讀寫指針； 被多個程序使用，但共享讀寫指針； 多個用戶用相同或不同的名字來訪問同一文件。 目的 節(jié)省時間和存儲空間，減少了用戶工作量； 進程間通過文件交換信息。,1. 基于有向無循環(huán)圖實現(xiàn)文件共享,利用索引結(jié)點,2. 利用符號鏈接實現(xiàn)文件共享,利用符號鏈接的基本思想 共享某文件時，創(chuàng)建一新文件，并加到用戶目錄中，該文件僅包含被鏈接文件F的路徑名，稱該鏈接方法為符號鏈接。該方式中，只有文件才擁有指向其索引結(jié)點的指針，其它共享的用戶只有該文件的路徑名。 優(yōu)點：方便地鏈接任一文件（用路徑名） 缺點：訪問共享文件時開銷大（多次讀盤，消費盤空間），每一

18、共享文件都要增加一文件名（因路徑名各不相同）。,8.5 文件保護,保護域 訪問矩陣 訪問矩陣的修改 訪問矩陣的實現(xiàn),影響文件安全性的主要因素 （1）人為因素：人們有意或無意的行為，會使文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)遭到破壞或丟失； （2）系統(tǒng)因素：由于系統(tǒng)的某部分出現(xiàn)異常情況，而造成數(shù)據(jù)的破壞或丟失，特別是作為數(shù)據(jù)存儲主要介質(zhì)的磁盤，一但出現(xiàn)故障，會產(chǎn)生難以估量的影響； （3）自然因素：隨著時間的推移，存放在磁盤上的數(shù)據(jù)會逐漸消失。,為了確保文件系統(tǒng)的安全性，可采取的措施 （1）通過存取控制機制，防止由人為因素所造的文件不安全性； （2）采取系統(tǒng)容錯技術(shù)，防止系統(tǒng)部分的故障所造成的文件的不安全性； （3）建

19、立后備系統(tǒng)，防止由自然因素所造成的不安全性。本節(jié)主要介紹第一方面的措施存取控制機制。,1.訪問權(quán) 為了對系統(tǒng)中的對象加以保護，應(yīng)由系統(tǒng)來控制進程對對象的訪問。 把一個進程能對某對象執(zhí)行操作的權(quán)力，稱為訪問權(quán)。 每個訪問權(quán)可以用一個有序?qū)Γ▽ο竺瑱?quán)集）來表示，例如，某進程有對文件F1執(zhí)行讀和寫操作的權(quán)力，則可將該進程的訪問權(quán)表示成（F1，R/W）。,2.保護域 為了對系統(tǒng)中的資源進行保護，而引入了保護域的概念，保護域簡稱為“域”?！坝颉笔沁M程對一組對象訪問權(quán)的集合，進程只能在指定域內(nèi)執(zhí)行操作。這樣，“域”也就規(guī)定了進程所能訪問的對象和能執(zhí)行的操作。,3.進程和域間的靜態(tài)聯(lián)系 在進程和域之間，可

20、以一一對應(yīng)，這意味著，在進程的整個生命期中，其可用資源是固定的，我們把這種域稱為“靜態(tài)域”。 在這種情況下，進程運行的全過程都是受限于同一個域，這將會使賦予進程的訪問權(quán)超過了實際需要。,4.進程和域間的動態(tài)聯(lián)系方式 在進程和域之間，也可以是一對多的關(guān)系。在此情況下，可將進程的運行分為若干個階段，其每個階段聯(lián)系著一個域，這樣便可根據(jù)運行的實際需要，來規(guī)定在進程運行的每個階段中所能訪問的對象。 我們把這種一對多的聯(lián)系方式稱為動態(tài)聯(lián)系方式，在采用這種方式的系統(tǒng)中，應(yīng)增設(shè)保護域切換功能，以使進程能在不同的運行階段，從一個保護域切換到另一個保護域。,8.5.2 訪問矩陣,1.基本的訪問矩陣,2.具有域切

21、換權(quán)的訪問矩陣,8.5.3 訪問矩陣的修改,1.復(fù)制權(quán) 可利用復(fù)制權(quán)，將在某個域中所擁有的訪問權(quán)（access（i，j）擴展到同一列的其它域中，亦即，為進程在其它的域中也賦予對同一對象的訪問權(quán)（access（k，j），如圖所示。,2.所有權(quán) 人們不僅要求能將已有的訪問權(quán)進行有控制的擴散，而且同樣需要能增加某種訪問權(quán)，或者能刪除某種訪問權(quán)。此時，可利用所有權(quán)（O）來實現(xiàn)這些操作。見圖8-23，如果在access（i，j）中包含所有訪問權(quán)，則在域Di上運行的進程，可以增加或刪除其在j列上任何項中的訪問權(quán)。,3.控制權(quán) 復(fù)制權(quán)和所有權(quán)都是用于改變矩陣內(nèi)同一列的各項訪問權(quán)的，或者說，是用于改變在不同域中運行的進程對同一對象的訪問權(quán)。 控制權(quán)則可用于改變矩陣內(nèi)同一行中（域中）的各項訪問權(quán)，亦即，用于改變在某個域中運行進程對不同對象的訪問權(quán)。如果在access（i，j）中包含了控制權(quán)，則在域Di中運行的進程可以刪除在域Dj中運行進程對各對象的任何訪問權(quán)