文章目錄

• • • 1 初識(shí)文件管理
    • • 1.1文件屬性
      • 1.2 文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)應(yīng)該怎樣組織起來(lái)？
      • 1.3 文件之間應(yīng)該怎樣組織起來(lái)？
      • 1.4 操作系統(tǒng)應(yīng)該向上提供哪些功能？
      • 1.5 文件應(yīng)如何存放在外存？
      • 1.6 文件系統(tǒng)總覽
    • 2 文件邏輯結(jié)構(gòu)
    • • 2.1 文件分類
      • 2.2 順序文件
      • 2.3 索引文件
      • 2.4 索引順序文件
      • 2.5 多級(jí)索引順序文件
      • 2.6 文件邏輯結(jié)構(gòu)小結(jié)
    • 3 文件目錄結(jié)構(gòu)
    • • 3.1 文件控制塊
      • 3.2 目錄結(jié)構(gòu)——單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)
      • 3.3 目錄結(jié)構(gòu)——兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)
      • 3.4 目錄結(jié)構(gòu)——多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)（樹形目錄結(jié)構(gòu)）
      • 3.5 目錄結(jié)構(gòu)——無(wú)環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)
      • 3.6 索引結(jié)點(diǎn)（FCB的改進(jìn)）
      • 3.7 文件目錄小結(jié)

1 初識(shí)文件管理

文件——就是一組有意義的信息/數(shù)據(jù)集合

文件系統(tǒng)核心問(wèn)題：

計(jì)算機(jī)中存放了各種各樣的文件，一個(gè)文件有哪些屬性？ 文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)應(yīng)該怎樣組織起來(lái)？ 文件之間又應(yīng)該又應(yīng)該怎么組織起來(lái)？

從下往上看，OS應(yīng)提供哪些功能，才能方便用戶、應(yīng)用程序使用文件？

從上往下看，文件數(shù)據(jù)應(yīng)該怎么存放在外存（磁盤）上？

1.1文件屬性

文件名：由創(chuàng)建文件的用戶決定文件名，主要是為了方便用戶找到文件，同一目錄下不允許有重名文件。

標(biāo)識(shí)符：一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的各文件標(biāo)識(shí)符唯一，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)毫無(wú)可讀性， 因此標(biāo)識(shí)符只是操作系統(tǒng)用于區(qū)分各個(gè)文件的一種內(nèi)部名稱。

類型：指明文件的類型

位置：文件存放的路徑（讓用戶使用）、在外存中的地址（操作系統(tǒng) 使用，對(duì)用戶不可見）

大小：指明文件大小

創(chuàng)建時(shí)間、上次修改時(shí)間文件所有者信息

保護(hù)信息：對(duì)文件進(jìn)行保護(hù)的訪問(wèn) 控制信息

1.2 文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)應(yīng)該怎樣組織起來(lái)？

無(wú)結(jié)構(gòu)文件（如文本文件）——由一些二進(jìn)制或字符流組成，又稱“流式文件”

有結(jié)構(gòu)文件（如數(shù)據(jù)庫(kù)表）——由一組相似的記錄組成，又稱“記錄式文件”

數(shù)據(jù)項(xiàng)是文件系統(tǒng)中最基本的數(shù)據(jù)單位
記錄是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合

1.3 文件之間應(yīng)該怎樣組織起來(lái)？

1.4 操作系統(tǒng)應(yīng)該向上提供哪些功能？

“創(chuàng)建文件”， （點(diǎn)擊新建后，圖形化交互進(jìn)程在背后調(diào)用了“create系統(tǒng)調(diào)用”）

“讀文件”，將文件數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，才能讓CPU處理（雙擊后， “記事本”應(yīng)用程序通過(guò)操作系統(tǒng)提供的“讀文件”功能，即read系統(tǒng)調(diào)用，將文件數(shù)據(jù)從外存讀入內(nèi)存，并顯示在屏幕上）

“寫文件”，將更改過(guò)的文件數(shù)據(jù)寫回外存（我們?cè)凇坝浭卤尽睉?yīng)用程序中編輯文件內(nèi)容，點(diǎn)擊“保存”后， “記事本”應(yīng)用程序通過(guò)操作系統(tǒng)提供的“寫文件”功能，即write系統(tǒng)調(diào)用， 將文件數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫回外存）

“刪除文件”（點(diǎn)了“刪除”之后， 圖形化交互進(jìn)程通過(guò)操作系統(tǒng)提供的 “刪除文件”功能，即delete系統(tǒng)調(diào)用， 將文件數(shù)據(jù)從外存中刪除）

1.5 文件應(yīng)如何存放在外存？

1.6 文件系統(tǒng)總覽

2 文件邏輯結(jié)構(gòu)

2.1 文件分類

按文件是否有結(jié)構(gòu)分類，可以分為無(wú)結(jié)構(gòu)文件、有結(jié)構(gòu)文件兩種。

無(wú)結(jié)構(gòu)文件：文件內(nèi)部的數(shù)據(jù)就是一系列二進(jìn)制流或字符流組成。又稱“流式文件”。如：Windows操作系統(tǒng)中的.txt文件。

有結(jié)構(gòu)文件：由一組相似的記錄組成，又稱“記錄式文件”。每條記錄又若干個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)組成。如：數(shù)據(jù)庫(kù)表文件。一般來(lái)說(shuō)，每條記錄有一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)可作為關(guān)鍵字（作為識(shí)別不同記錄的ID）

有結(jié)構(gòu)文件根據(jù)各條記錄的長(zhǎng)度（占用的存儲(chǔ)空間）是否相等，又可分為定長(zhǎng)記錄和可變長(zhǎng)記錄兩種。

定長(zhǎng)記錄

可變長(zhǎng)記錄

2.2 順序文件

順序文件：文件中的記錄一個(gè)接一個(gè)地順序排列（邏輯上），記錄可以是定長(zhǎng)的或可變長(zhǎng)的。各個(gè)記錄在物理上可以順序存儲(chǔ)或鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。


假設(shè)：已經(jīng)知道了文件的起始地址（也就是第一個(gè)記錄存放的位置）
思考1：能否快速找到第i個(gè)記錄對(duì)應(yīng)的地址？（即能否實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取）
思考2：能否快速找到某個(gè)關(guān)鍵字對(duì)應(yīng)的記錄存放的位置？

結(jié)論：定長(zhǎng)記錄的順序文件，若物理上采用順序存儲(chǔ)，則可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存取；
若能再保證記錄的順序結(jié)構(gòu)，則可實(shí)現(xiàn)快速檢索（即根據(jù)關(guān)鍵字快速找到對(duì)應(yīng)記錄）

注：一般來(lái)說(shuō)，考試題目中所說(shuō)的“順序文件”指的是物理上順序存儲(chǔ)的順序文件。之后的講解中提到的順序文件也默認(rèn)如此。
可見，順序文件的缺點(diǎn)是增加/刪除一個(gè)記錄比較困難（如果是串結(jié)構(gòu)則相對(duì)簡(jiǎn)單）

2.3 索引文件

對(duì)于可變長(zhǎng)記錄文件，要找到第i個(gè)記錄，必須先順序第查找前i-1個(gè)記錄，但是很多應(yīng)用場(chǎng)景中又必須使用可變長(zhǎng)記錄。如何解決這個(gè)問(wèn)題？

索引表本身是定長(zhǎng)記錄的順序文件。因此可以快速找到第i個(gè)記錄對(duì)應(yīng)的索引項(xiàng)。

可將關(guān)鍵字作為索引號(hào)內(nèi)容，若按關(guān)鍵字順序排列，則還可以支持按照關(guān)鍵字折半查找。

每當(dāng)要增加/刪除一個(gè)記錄時(shí)，需要對(duì)索引表進(jìn)行修改。由于索引文件有很快的檢索速度，因此主要用于對(duì)信息處理的及時(shí)性要求比較高的場(chǎng)合。

2.4 索引順序文件

思考索引文件的缺點(diǎn)：每個(gè)記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)索引表項(xiàng)，因此索引表可能會(huì)很大。

比如：文件的每個(gè)記錄平均只占8B，、而每個(gè)索引表項(xiàng)占32個(gè)字節(jié)，那么索引表都要比文件內(nèi)容本身大4倍，這樣對(duì)存儲(chǔ)空間的利用率就太低了。

索引順序文件是索引文件和順序文件思想的結(jié)合。索引順序文件中，同樣會(huì)為文件建立一張索引表，但不同的是：并不是每個(gè)記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)索引表項(xiàng)，而是一組記錄對(duì)應(yīng)一個(gè)索引表項(xiàng)。

若一個(gè)順序文件有10000個(gè)記錄，則根據(jù)關(guān)鍵字檢索文件，只能從頭開始順序查找（這里指的并不是定長(zhǎng)記錄、順序結(jié)構(gòu)的順序文件），平均須查找5000個(gè)記錄。

若采用索引順序文件結(jié)構(gòu)，可把10000個(gè)記錄分為V10000=100組，每組100個(gè)記錄。則需要先順序查找索引表找到分組（共100個(gè)分組，因此索引表長(zhǎng)度為100，平均需要查50次），找到分維后，再在分組中順序查找記錄（每個(gè)分組100個(gè)記錄，因此平均需要查50次）。可見，采用索引順序文件結(jié)構(gòu)后，平均查找次數(shù)減少為50+50=100次。

同理，若文件共有10⁶個(gè)記錄，則可分為1000個(gè)分組，每個(gè)分組1000個(gè)記錄。根據(jù)關(guān)鍵字檢索一個(gè)記錄平均需要查找500+500=1000次。這個(gè)查找次數(shù)依然很多，如何解決呢？

2.5 多級(jí)索引順序文件

為了進(jìn)一步提高檢索效率，可以為順序文件建立多級(jí)索引表。

例如，對(duì)于一個(gè)含10⁶個(gè)記錄的文件，可先為該文件建立一張低級(jí)索引表，每100個(gè)記錄為一組，故低級(jí)索引表中共有10000個(gè)表項(xiàng)（即10000個(gè)定長(zhǎng)記錄），再把這10000個(gè)定長(zhǎng)記錄分組，每組100個(gè)，為其建立頂級(jí)索引表，故頂級(jí)索引表中共有100個(gè)表項(xiàng)。

2.6 文件邏輯結(jié)構(gòu)小結(jié)

3 文件目錄結(jié)構(gòu)

文件目錄結(jié)構(gòu)即我們很熟悉的Windows操作系統(tǒng)的“文件夾”

3.1 文件控制塊

FCB的有序集合稱為“文件目錄”，一個(gè)FCB就是一個(gè)文件目錄項(xiàng)。

FCB中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)等），存取控制信息（是否可讀/可寫、禁止訪問(wèn)的用戶名單等），使用信息（如文件的建立時(shí)間、修改時(shí)間等）。最重要，最基本的還是文件名、文件存放的物理地址。

FCB實(shí)現(xiàn)了文件名和文件之間的映射。使用戶（用戶程序）可以實(shí)現(xiàn)“按名存取”

需要對(duì)目錄進(jìn)行哪些操作？

搜索：當(dāng)用戶要使用一個(gè)文件時(shí)，系統(tǒng)要根據(jù)文件名搜索目錄，找到該文件對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)

創(chuàng)建文件：創(chuàng)建一個(gè)新文件時(shí)，需要在其所屬的目錄中增加一個(gè)目錄項(xiàng)

刪除文件：當(dāng)刪除一個(gè)文件時(shí)，需要在目錄中刪除相應(yīng)的目錄項(xiàng)

顯示目錄：用戶可以請(qǐng)求顯示目錄的內(nèi)容，如顯示該目錄中的所有文件及相應(yīng)屬性

修改目錄：某些文件屬性保存在目錄中，因此這些屬性變化時(shí)需要修改相應(yīng)的目錄項(xiàng)（如：文件重命名）

3.2 目錄結(jié)構(gòu)——單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

早期操作系統(tǒng)并不支持多級(jí)目錄，整個(gè)系統(tǒng)中只建立一張目錄表，每個(gè)文件占一個(gè)目錄項(xiàng)。

單級(jí)目錄實(shí)現(xiàn)了“按名存取”，但是不允許文件重名。在創(chuàng)建一個(gè)文件時(shí)，需要先檢查目錄表中有沒(méi)有重名文件，確定不重名后才能允許建立文件，并將新文件對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)插入目錄表中。
顯然，單級(jí)目錄結(jié)構(gòu)不適用于多用戶操作系統(tǒng)。

3.3 目錄結(jié)構(gòu)——兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)

早期的多用戶操作系統(tǒng)，采用兩級(jí)目錄結(jié)構(gòu)。分為主文件目錄（MFD，Master File Directory）和用戶文件目錄（UFD，User Flie Directory）。

3.4 目錄結(jié)構(gòu)——多級(jí)目錄結(jié)構(gòu)（樹形目錄結(jié)構(gòu)）

用戶（或用戶進(jìn)程）要訪問(wèn)某個(gè)文件時(shí)要用文件路徑名標(biāo)識(shí)文件，文件路徑名是個(gè)字符串。各級(jí)目錄之間用“/”隔開。從根目錄出發(fā)的路徑稱為絕對(duì)路徑。

系統(tǒng)根據(jù)絕對(duì)路徑一層一層地找到下一級(jí)目錄。

剛開始從外存讀入根目錄的目錄表；找到“照片”目錄的存放位置后，從外存讀入對(duì)應(yīng)的目錄表；再找到“2015-08”目錄的存放位置，再?gòu)耐獯孀x入對(duì)應(yīng)目錄表；最后才找到文件“自拍.jpg”的存放位置。整個(gè)過(guò)程需要3次讀磁盤I/0操作。

很多時(shí)候，用戶會(huì)連續(xù)訪問(wèn)同一目錄內(nèi)的多個(gè)文件（比如：接連查看“2015-08”目錄內(nèi)的多個(gè)照片文件），顯然，每次都從根目錄開始查找，是很低效的。因此可以設(shè)置一個(gè)“當(dāng)前目錄”。

引入“當(dāng)前目錄”和“相對(duì)路徑”后，磁盤I/O的次數(shù)減少了。這就提升了訪問(wèn)文件的效率。

樹形目錄結(jié)構(gòu)可以很方便地對(duì)文件進(jìn)行分類，層次結(jié)構(gòu)清晰，也能夠更有效地進(jìn)行文件的管理和保護(hù)。但是，樹形結(jié)構(gòu)不便于實(shí)現(xiàn)文件的共享。為此，提出了“無(wú)環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)”。

3.5 目錄結(jié)構(gòu)——無(wú)環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)

可以用不同的文件名指向同一個(gè)文件，甚至可以指向同一個(gè)目錄（共享同一目錄下的所有內(nèi)容）。

需要為每個(gè)共享結(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)共享計(jì)數(shù)器，用于記錄此時(shí)有多少個(gè)地方在共享該結(jié)點(diǎn)。用戶提出刪除結(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求時(shí)，只是刪除該用戶的FCB、并使共享計(jì)數(shù)器減1，并不會(huì)直接刪除共享結(jié)點(diǎn)。

只有共享計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，才刪除結(jié)點(diǎn)。
注意：共享文件不同于復(fù)制文件。在共享文件中，由于各用戶指向的是同一個(gè)文件，因此只要其中一個(gè)用戶修改了文件數(shù)據(jù)，那么所有用戶都可以看到文件數(shù)據(jù)的變化。

3.6 索引結(jié)點(diǎn)（FCB的改進(jìn)）

其實(shí)在查找各級(jí)目錄的過(guò)程中只需要用到“文件名”這個(gè)信息，只有文件名匹配時(shí)，才需要讀出文件的其他信息。因此可以考慮讓目錄表“瘦身”來(lái)提升效率。

當(dāng)找到文件名對(duì)應(yīng)的目錄項(xiàng)時(shí)，才需要將索引結(jié)點(diǎn)調(diào)入內(nèi)存，索引結(jié)點(diǎn)中記錄了文件的各種信息，包括文件在外存中的存放位置，根據(jù)“存放位置”即可找到文件。

存放在外存中的索引結(jié)點(diǎn)稱為“磁盤索引結(jié)點(diǎn)”，當(dāng)索引結(jié)點(diǎn)放入內(nèi)存后稱為“內(nèi)存索引結(jié)點(diǎn)”。

相比之下內(nèi)存索引結(jié)點(diǎn)中需要增加一些信息，比如：文件是否被修改、此時(shí)有幾個(gè)進(jìn)程正在訪問(wèn)該文件等。

思考有何好處？

假設(shè)一個(gè)FCB是64B，磁盤塊的大小為1KB，則每個(gè)盤塊中只能存放16個(gè)FCB。若一個(gè)文件目錄中共有640個(gè)目錄項(xiàng)，則共需要占用640/16=40個(gè)盤塊。因此按照某文件名檢索該目錄，平均需要查詢320個(gè)目錄項(xiàng)，平均需要啟動(dòng)磁盤20次（每次磁盤I/O讀入一塊）。
若使用索引結(jié)點(diǎn)機(jī)制，文件名占14B，索引結(jié)點(diǎn)指針站2B，則每個(gè)盤塊可存放64個(gè)目錄項(xiàng)，那么按文件名檢索目錄平均只需要讀入320/64=5個(gè)磁盤塊。顯然，這將大大提升文件檢索速度。

3.7 文件目錄小結(jié)

每一級(jí)目錄結(jié)構(gòu)都是解決了上級(jí)目錄結(jié)構(gòu)留下的問(wèn)題

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的14 操作系统第四章 文件管理 文件逻辑结构 文件目录结构的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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