操作系統(tǒng)原理教程第4章文件管理本章教學目標l l 熟悉文件的概念、分類、文件的組織l 掌握磁盤的調(diào)度算法l 熟悉文件目錄的管理、文件的保密與保護方法l 熟悉文件的使用本章教學內(nèi)容l l 4.1文件管理概述l 4.2文件的組織l 4.3文件的存儲設(shè)備l 4.4文件的目錄管理l 4.5文件的共享與安全l 4.6文件的使用4.1 文件管理概述l 4.1.1文件管理的主要任務(wù)l 4.1.2文件管理的主要功能l 4.1.3文件系統(tǒng)的基本概念4.1.1 文件管理的主要任務(wù)l 文件管理，即構(gòu)成一個文件系統(tǒng)，負責管理在外存上存放的文件，并把對文件的存取、共享和保護等手段提供給操作系統(tǒng)和用戶。l 文件管理的主要目標是提高外存儲空間的利用率。l 它的主要任務(wù)是對用戶文件和系統(tǒng)文件進行管理，方便用戶使用，并保證文件的安全性。4.1.2 文件管理的主要功能l 1.文件存儲空間管理l 2.文件目錄管理l 3.邏輯文件與物理文件的轉(zhuǎn)換l 4.文件讀寫管理l 5.文件共享和安全的管理1.文件存儲空間管理l 存儲管理的任務(wù)是為每個文件分配必要的外存空間，提高外存的利用率，并能有助于提高文件系統(tǒng)的工作速度。l 由于文件存儲設(shè)備是以塊為單位進行管理的，因此，文件存儲空間的管理實質(zhì)上是一個空閑塊的組織和管理問題，它包括空閑塊的組織，空閑塊的分配與空閑塊的回收。2.文件目錄管理l 為實現(xiàn)文件的按名存取，每個文件首先應(yīng)該具有一個文件名與之對應(yīng)。l 目錄管理的任務(wù)是為每個文件建立目錄項，并對眾多的目錄加以組織，以實現(xiàn)方便的按名存取，實現(xiàn)文件的共享，提供快速的目錄查詢手段，提高文件的檢索速度。3.邏輯文件與物理文件的轉(zhuǎn)換l 邏輯文件：規(guī)定用戶直接使用的文件。l 物理文件：存儲介質(zhì)上的文件。l 用戶使用文件時只要給出文件的名字和一些適當?shù)恼f明信息，文件系統(tǒng)就能按照用戶的要求把邏輯文件組織成物理文件存放到存儲介質(zhì)上，或者把存儲介質(zhì)上的物理文件轉(zhuǎn)換成邏輯文件供用戶使用。l 文件系統(tǒng)還可根據(jù)需要更換文件存放的位置而對用戶沒有任何影響。4.文件讀寫管理l 文件系統(tǒng)讀寫控制的主要任務(wù)：一是，對于擁有讀寫和執(zhí)行權(quán)限的用戶，允許其對文件進行相應(yīng)的操作。二是，對于沒有相應(yīng)權(quán)限的用戶，禁止他們對文件進行相應(yīng)的操作。三是，防止一個用戶冒充其他用戶對文件進行讀寫操作。四是，防止擁有存取權(quán)限的用戶誤用文件。5.文件共享和安全的管理l 文件共享是指不同的用戶共同使用同一個文件。l 文件的安全管理即文件的保護，是解決文件的非法操作的關(guān)鍵。4.1.3 文件系統(tǒng)的基本概念l 1文件l 2記錄l 3數(shù)據(jù)項l 4文件類型l 5文件系統(tǒng)模型1 文件l 文件是指存放在外存上的已命名的一組相關(guān)信息的集合。l 通常將程序和數(shù)據(jù)組織成文件。l 文件中的基本訪問單位可以是位、字節(jié)或記錄。l 文件的屬性包括文件類型、文件長度、文件的物理位置、文件的存取控制、文件的建立時間。2 記錄l 記錄是一組相關(guān)數(shù)據(jù)項的集合，用于描述數(shù)據(jù)對象某方面的屬性。l 它是文件中數(shù)據(jù)處理的基本單位，是組成文件的基本元素。3 數(shù)據(jù)項l 數(shù)據(jù)項是指描述一個對象的某種屬性的字符集，它是數(shù)據(jù)處理的最小單位。l 它可以分為 基本數(shù)據(jù)項：是用于描述一個對象的某種屬性的字符集，是數(shù)據(jù)組織中可以命名的最小邏輯數(shù)據(jù)單位，即原子數(shù)據(jù)，又稱為數(shù)據(jù)元素或字段。組合數(shù)據(jù)項：由若干個基本數(shù)據(jù)項組成，簡稱組項。4 文件類型l（1）按性質(zhì)和用途分類 系統(tǒng)文件、用戶文件、庫文件l（2）按文件中的數(shù)據(jù)形式分類 源文件、目標文件l（3）按文件的存取控制屬性分類 只執(zhí)行文件、只讀文件、讀寫文件l（4）按文件的邏輯結(jié)構(gòu)分類 有結(jié)構(gòu)文件、無結(jié)構(gòu)文件l（5）按文件的物理結(jié)構(gòu)分類 順序文件、鏈接文件、索引文件l（6）按照文件的內(nèi)容分類 普通文件、目錄文件、特殊文件5 文件系統(tǒng)模型l 文件系統(tǒng)是指含有大量文件及其屬性說明的，對文件進行操縱和管理的，向用戶提供使用接口的軟件集合。圖4-1 表示了文件系統(tǒng)的模型。l 它分為三個層次 最低層是對象及其屬性說明；中間層是對對象進行操縱和管理的軟件集合；最高層是文件系統(tǒng)提供給用戶的接口。4.2 文件的組織l 文件的組織是指文件的構(gòu)造方式，即文件的結(jié)構(gòu)。對任何一個文件，都存在著兩種形式的結(jié)構(gòu)：邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)。l 4.2.1文件的邏輯結(jié)構(gòu)l 4.2.2文件的物理結(jié)構(gòu)l 4.2.3記錄的成組和分解4.2.1 文件的邏輯結(jié)構(gòu)l 1文件邏輯結(jié)構(gòu)的概念l 2文件邏輯結(jié)構(gòu)的形式1 文件邏輯結(jié)構(gòu)的概念l 文件的邏輯結(jié)構(gòu)（FileLogicalStructure）是用戶用戶組織文件時可見的結(jié)構(gòu)，即用戶所觀察到的文件組織形式。l 文件的邏輯結(jié)構(gòu)是用戶可以直接處理的數(shù)據(jù)及其結(jié)構(gòu)，它獨立于物理特性，又稱為文件組織。l 選擇文件的邏輯結(jié)構(gòu)主要有以下原則：（1）提高檢索效率（2）便于修改（3）降低文件存儲費用（4）便于用戶操作2 文件邏輯結(jié)構(gòu)的形式l 文件的邏輯結(jié)構(gòu)從形式上分為兩類：有結(jié)構(gòu)的記錄式文件：l 在記錄式文件中，所有的記錄通常都是屬于一個實體集的，有著相同或不同數(shù)目的數(shù)據(jù)項。記錄的長度可分為定長和不定長兩類。無結(jié)構(gòu)的流式文件l 是指由字符流構(gòu)成的文件。流式文件內(nèi)的數(shù)據(jù)不再組成記錄，只是一串字節(jié)。對流式文件的存取需要指定起始字節(jié)和字節(jié)數(shù)。4.2.2 文件的物理結(jié)構(gòu)l 1文件物理結(jié)構(gòu)的概念l 2文件物理結(jié)構(gòu)的形式l 3文件的訪問方式1 文件物理結(jié)構(gòu)的概念l 文件的物理結(jié)構(gòu)，又稱為文件的存儲結(jié)構(gòu)，它是指文件在外存上存儲時的組織結(jié)構(gòu)。l 文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲介質(zhì)的物理特性及用戶對文件的訪問方式有關(guān)。l 文件的物理結(jié)構(gòu)通常劃分為大小相等的物理塊，也稱為物理記錄。它是文件分配及傳輸信息的基本單位。物理記錄的大小與物理設(shè)備有關(guān)，與邏輯記錄的大小無關(guān)。2 文件物理結(jié)構(gòu)的形式l 三種文件物理結(jié)構(gòu)組織文件：順序結(jié)構(gòu)：順序結(jié)構(gòu)將一個在邏輯上連續(xù)的文件信息依次存放在外存連續(xù)的物理塊中。鏈接結(jié)構(gòu)：鏈接結(jié)構(gòu)將文件存放在外存的若干個物理塊中，這些物理塊不必連續(xù)，并且在每一個物理塊中設(shè)一個指針，指向下一個物理塊的位置，從而使得存放同一個文件的物理塊鏈接起來。索引結(jié)構(gòu)：將文件存放在外存的若干個物理塊中，并為每個文件建立一個索引表，索引表中的每個表目存放文件信息的邏輯塊號和與之對應(yīng)的物理塊號。3 文件的訪問方式l（1）順序訪問 是指用戶從文件初始數(shù)據(jù)開始依次訪問文件中的信息。對記錄式文件意味著按記錄的編號從小到大進行存取，對流式文件則意味著對文件從頭至尾進行存取。順序訪問的特點是訪問速度快，不需要計算訪問信息的位置，適合于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和匯總等。l（2）直接訪問（隨機訪問）直接訪問是指用戶隨機地訪問文件中的某段信息。要支持用戶以直接訪問方式訪問文件，文件必須存放在可以支持快速定位的隨機存儲設(shè)備中。4.2.3 記錄的成組和分解l 1記錄的成組 是指把若干條邏輯記錄合并成一組存入一個物理塊的過程。l 2記錄的分解 是指從一條物理記錄中把邏輯記錄分離出來的過程。4.3 文件的存儲設(shè)備l 4.3.1文件存儲設(shè)備的類型l 4.3.2磁盤的驅(qū)動調(diào)度算法l 4.3.3存儲空間的分配與回收l 4.3.4存儲空間的分配舉例4.3.1 文件存儲設(shè)備的類型l 1順序存儲設(shè)備l 2直接存儲設(shè)備1 順序存儲設(shè)備l 順序存儲設(shè)備是按信息的物理位置進行定位和讀/寫操作的存儲設(shè)備。在順序存儲設(shè)備中，只有前面的物理塊被存取之后，才能存取其后的物理塊。l 磁帶就是一種典型的順序存取設(shè)備。l【例4-1】假定磁帶記錄密度為每英寸800字符，每一邏輯記錄為160字符，塊間隙為0.6英寸。今有1500個邏輯記錄需要存儲，試計算磁帶的利用率？若要使磁帶空間利用率不少于50%，至少應(yīng)以多少個邏輯記錄為一組？這說明了什么問題？2 直接存儲設(shè)備l 是允許文件系統(tǒng)直接存取對應(yīng)存儲介質(zhì)上的任意物理塊的存儲設(shè)備。l 磁盤就是典型的直接存儲設(shè)備。l 由于磁帶是一種順序存儲設(shè)備，用它存儲文件時應(yīng)采用順序結(jié)構(gòu)存放，順序存取時效率較高。磁盤是直接存儲設(shè)備，三種文件物理結(jié)構(gòu)都可采用，實際存儲時可根據(jù)文件的使用情況來確定。如果文件是順序存取的，采用順序結(jié)構(gòu)和鏈式結(jié)構(gòu)都可以；若采用直接存取方式且文件大小不固定，應(yīng)采用索引方式，若文件大小固定，也可以采用順序結(jié)構(gòu)。2 直接存儲設(shè)備l【例4-2】某軟盤有40個磁道，磁頭從一個磁道移到另一個磁道需要6ms。文件在磁盤上非連續(xù)存放，邏輯上相鄰數(shù)據(jù)塊的平均距離為13磁道，每塊的旋轉(zhuǎn)延遲時間及傳輸時間分別為100ms、25ms，問讀取一個100塊的文件需要多少時間？如果系統(tǒng)對磁盤進行了整理，讓同一個磁盤塊盡可能靠攏，從而使邏輯上相鄰的數(shù)據(jù)塊的平均距離降為2磁道，這時讀取一個100塊的文件需要多少時間？4.3.2 磁盤的驅(qū)動調(diào)度算法l 1移臂調(diào)度（1）先來先服務(wù)（FCFS）（2）最短尋道時間優(yōu)先（SSTF）（3）掃描算法（SCAN）或電梯調(diào)度算法（4）循環(huán)掃描算法（CSCAN）l 2旋轉(zhuǎn)調(diào)度（1）先來先服務(wù)（FCFS）l 先 來 先 服 務(wù) 調(diào) 度 算 法 是 按 請 求 訪 問 者 的先 后 次 序 啟 動 磁 盤 驅(qū) 動 器，而 不 考 慮 它們要訪問的物理位置。l 采 用 這 種 調(diào) 度 算 法，只 需 要 對 訪 問 磁 盤的 作 業(yè) 排 隊，新 來 的 訪 問 者 排 在 隊 尾，始 終 從 隊 首 取 出 訪 問 者 訪 問 磁 盤，直 到該隊列為空。（2）最短尋道時間優(yōu)先（SSTF）l 最 短 尋 道 時 間 優(yōu) 先 調(diào) 度 算 法 總 是 讓 離 當 前 磁 道最 近 的 請 求 訪 問 者 啟 動 磁 盤 驅(qū) 動 器，即 是 讓 查找 時 間 最 短 的 那 個 作 業(yè) 先 執(zhí) 行，而 不 考 慮 請 求訪 問 者 到 來 的 先 后 次 序，這 樣 就 克 服 了 先 來 先服務(wù)調(diào)度算法中磁臂移動過大的問題。l 采 用 這 種 調(diào) 度 算 法，需 要 為 請 求 訪 問 磁 盤 的 作業(yè) 設(shè) 置 一 個 隊 列，隨 著 當 前 磁 道 的 改 變，不 斷計 算 后 續(xù) 訪 問 者 與 當 前 磁 道 的 距 離，讓 距 離 最短 的 訪 問 者 訪 問 磁 盤，新 的 當 前 磁 道 為 最 新 訪問的磁道。（3）掃描算法（SCAN）或電梯調(diào)度算法l 掃 描 調(diào) 度 算 法 總 是 從 磁 臂 當 前 位 置 開 始，沿 磁 臂 的 移動 方 向 去 選 擇 離 當 前 磁 臂 最 近 的 那 個 柱 面 的 訪 問 者。如 果 沿 磁 臂 的 方 向 無 請 求 訪 問 時，就 改 變 磁 臂 的 移 動方 向。在 這 種 調(diào) 度 方 法 下 磁 臂 的 移 動 類 似 于 電 梯 的 調(diào)度，所以它也稱為電梯調(diào)度算法。l 采 用 這 種 調(diào) 度 算 法，需 要 為 訪 問 者 設(shè) 置 兩 個 隊 列，根據(jù) 磁 頭 的 移 動 方 向，能 訪 問 到 的 訪 問 者 由 近 及 遠 排 隊，背 離 磁 頭 移 動 方 向 的 訪 問 者 也 由 近 及 遠 排 為 另 一 隊。先 按 磁 頭 移 動 方 向 隊 列 調(diào) 度 訪 問 者 訪 問 磁 盤，當 該 方向 沒 有 訪 問 者 時，再 改 變 方 向，選 擇 另 一 個 訪 問 者 隊列訪問磁盤。（4）循環(huán)掃描算法（CSCAN）l 循環(huán)掃描調(diào)度算法是在掃描算法的基礎(chǔ)上改進的。磁臂改為單項移動，由外向里。當前位置開始沿磁臂的移動方向去選擇離當前磁臂最近的哪個柱面的訪問者。如果沿磁臂的方向無請求訪問時，再回到最外，訪問柱面號最小的作業(yè)請求。2 旋轉(zhuǎn)調(diào)度l 旋轉(zhuǎn)調(diào)度采用的是延遲時間最短者優(yōu)先算法。當磁臂定位后，等待訪問該柱面的若干個訪問者可能要求訪問同一磁道上的不同扇區(qū)，也可能要求訪問不同磁道上的扇區(qū)。旋轉(zhuǎn)調(diào)度總是對先到達磁頭位置上的扇區(qū)進行信息傳送操作，若訪問的扇區(qū)號相同，則應(yīng)分多次進行旋轉(zhuǎn)調(diào)度。磁盤的驅(qū)動調(diào)度算法舉例l【例4-3】若磁頭的當前位置為100磁道，磁頭正向磁道號增加的方向移動。現(xiàn)有一磁盤讀寫請求隊列：23、376、205、132、19、61