操作系统-第七章-文件管理课件.ppt

计算机操作系统,第七章 文件管理,本章内容,7.1 文件和文件系统 7.2 文件的逻辑结构7.3 文件目录7.4 文件共享7.5 文件保护,7.1 文件和文件系统,7.1.1 文件、记录和数据项 1数据项 最低级的数据组织形式，可把它分成以下两种类型：（1）基本数据项。用于描述一个对象的某种属性的字符集。是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。（2）组合数据项。它是由若干个基本数据项组成的，简称组项。根据属性的不同，需要用不同的数据类型来描述。,2记录 记录是一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。例如，一个学生使用学号、姓名、年龄及所在系班。关键字是惟一能标识一个记录的数据项。如：学号。,7.1.1 文件、记录和数据项,3文件 文件是具有文件名的一组相关元素的集合。文件结构分为两种：有结构的文件中，文件由若干个相关记录组成；无结构文件则被看成是一个字符流。文件在文件系统中是一个最大的数据单位；文件必须有文件名，通常由一串ASCII码或汉字构成。,7.1.1 文件、记录和数据项,文件 的属性可以包括：（1）文件类型。如源文件、目标文件 等（2）文件长度。单位可以是块，字或字节。（3）文件的物理位置。指示文件在哪一个设备上以及在该设备的哪个位置的指针。（4）文件的建立时间。这是指文件最后一次的修改时间等。,3文件,7-1,7.1.2文件类型,为了便于管理和控制文件而将文件分成若干种类型。常用的几种文件分类方法：1）按用途分三类：系统，用户，库文件。2）按文件中数据的形式：源，目标以及可执行文件。3）按存取控制属性：只执行，只读，读写。,文件系统分为三个层次：,7.1.3 文件系统的层次模型,7-2,1）对象及其属性 对象有：文件，目录，磁盘存储空间。2）对对象操纵和管理的软件集合 核心部分，包括：文件存储空间的管理，文件目录的管理，逻辑地址与物理地址转换机制，文件读写管理，文件共享与保护等。3）文件系统的接口 向用户提供两种接口：命令（终端键入命令）和程序（系统调用）。,7.1.3 文件系统的层次模型,7.1.4 文件操作,用户通过文件系统提供的系统调用实施对文件的操作。1.最基本的文件操作有：创建文件（分配外存，建立目录项）、删除文件（置空目录项）、读文件、写文件、截断文件（原有文件长度置0）和设置文件的读写位置（改变始终从始端开始读/写操作）。,2.文件的“打开”和“关闭”操作：“打开”(open)，是指系统将指名文件的属性（包括该文件在外存上的物理位置）从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号（或称为索引）返回给用户。“关闭”（close）系统调用来关闭此文件，OS将会把该文件从打开文件表中的表目上删除掉。3其它文件操作：对文件属性的操作，改变文件名、改变文件的拥有者，查询文件的状态等,7.1.4 文件操作,本章内容,7.1 文件和文件系统 7.2 文件的逻辑结构7.3 文件目录7.4 文件共享7.5 文件保护,7.2 文件的逻辑结构,文件是由一系列的记录组成的。对于任何一个文件，都存在着以下两种形式的结构：（1）文件的逻辑结构 从用户观点出发所观察到的文件组织形式。（2）文件的物理结构 指文件在外存上的存储组织形式。,7.2.1文件逻辑结构的类型,文件的逻辑结构可分为两大类：（1）有结构文件：是指由一个以上的记录构成的文件，故又把它称为记录式文件；记录的长度可分为定长和不定长两类。可采用多种方式组织记录，形成不同的文件：顺序文件：是由一系列记录按某种顺序排列所形成的文件。索引文件：当记录为可变长度时，通常为之建立一张索引表。索引顺序文件：它为文件建立一张索引表，为每一组记录中的第一个记录设置一个表项。,文件的逻辑结构可分为两大类：（2）无结构文件：是指由字符流构成的文件，故又称为流式文件。无结构的文件形式，即流式文件，其长度以字节为单位在UNIX系统中，所有的文件都被看作是流式文件,7.2.1文件逻辑结构的类型,7.2.2 顺序文件,1逻辑记录的排序 文件中的记录排列可归纳为以下两种情况：串结构，各记录之间的顺序与关键字无关。通常的办法是由时间来决定，即按存入时间的先后排列 顺序结构，指文件中的所有记录按关键字排列。,2顺序文件的优缺点:优点:(1)对顺序文件的存取效率是所有逻辑文件中最高的.(2)只有顺序文件才能存储在磁带上，并能有效地工作。缺点:(1)在交互应用的场合，如果用户（程序）要求查找或修改单个记录，为此系统便要去逐个地查找诸记录。(2)如果想增加或删除一个记录，都比较困难。,7.2.2 顺序文件,1)定长记录的顺序文件 如果已知当前记录的逻辑地址，便很容易确定下一个记录的逻辑地址。在读一个文件时，可设置一个读指针Rptr。令它指向下一个记录的首地址，每当读完一个记录时，便执行:Rptr：=Rptr十L（L为记录长度）,7.2.3 记录寻址,2）变长记录的顺序文件 在每次读或写完一个记录后，须将读或写指针加上LiWptr：=Wptr十Li（Li 是刚读或刚写完的记录的长度）,7.2.4 索引文件,对于定长记录，可方便地实现直接存取。对于变长记录就较难实现直接存取，为了解决这一问题，为变长记录文件建立一张索引表，索引表是按键排序的，可以方便地实现直接存取。,7.2.5 索引顺序文件,索引顺序文件:将顺序文件中的所有记录分为若干个组,为顺序文件建立一张索引表，在索引表中为每组中的第一个记录建立一个索引项，其中含有该记录的键值和指向该记录的指针。,索引顺序文件,文件检索在对索引顺序文件进行检索时，首先也是利用用户(程序)所提供的关键字以及某种查找算法去检索索引表，找到该记录所在记录组中第一个记录的表项，从中得到该记录组第一个记录在主文件中的位置；然后，再利用顺序查找法去查找主文件，从中找到所要求的记录。,文件检索效率如果在一个顺序文件中所含有的记录数为N，则为检索到具有指定关键字的记录，平均须查找N/2 个记录；但对于索引顺序文件，则为能检索到具有指定关键字的记录，平均只要查找个 记录数。例如，有一个顺序文件含有10 000 个记录，平均须查找的记录数为5000 个。但对于索引顺序文件，则平均只须查找100个记录。可见，它的检索效率是顺序文件的50 倍.,7.2.6 直接文件和哈希文件,1直接文件 对于直接文件，可根据给定的记录键值，直接获得指定记录的物理地址。换言之，记录键值本身就决定了记录的物理地址。这种由记录 键值到记录物理地址的转换被称为键值转换。,7.2.6 直接文件和哈希文件,2哈希（Hash）文件：利用Hash函数，可将记录键值转换为相应记录的地址。为了能实现文件存储空间的动态分配，通常由Hash函数所求得的并非是相应记录的地址，而是指向一目录表相应表目的指针，该表目的内容指向相应记录所在的物理块。,本章内容,7.1 文件和文件系统 7.2 文件的逻辑结构7.3 文件目录7.4 文件共享7.5 文件保护,7.3 文件目录,对目录管理的要求如下：（1）实现“按名存取”。（2）提高对目录的检索速度。（3）文件共享。（4）允许文件重名。,7.3.1 文件控制块和索引结点,1、文件控制块为了能对一个文件进行正确的存取，必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块（FCB）”把文件控制块的有序集合称为文件目录。一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录文件。,1、文件控制块,（1）文件控制块的基本信息文件名；文件物理位置；文件逻辑结构（表明文件是流式还是记录式，定长还是变长等）；文件物理结构（顺序文件，链式还是索引文件）。（2）存取控制信息类存取权限（3）使用信息类文件的建立日期和时间等。,（1）索引结点的引入 文件描述信息单独形成一个称为索引结点的数据结构，简称为i结点。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结点的指针所构成。,2索引结点,（2）磁盘索引结点包括以下内容：文件主标识符，文件类型，存取权限，文件物理地址，文件长度，文件连接计数（系统中所有指向该文件名的指针计数），文件存取时间。（3）内存索引结点包括以下内容：索引结点编号，状态，访问计数，文件所属文件系统的逻辑设备号，链接指针。,2索引结点,7.3.2 目录结构,目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度，也关系到文件的共享性和安全性。因此，组织好文件的目录，是设计好文件系统的重要环节。目前常用的目录结构形式有单级目录、两级目录和多级目录。1单级目录结构,单级目录的优点：是简单且能实现目录管理的基本功能按名存取。单级目录缺点：（1）查找速度慢。（2）不允许重名。（3）不便于实现文件共享。适合单用户环境。,1单级目录结构,2.两级目录,为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，再建立一个主文件目录MFD。在主文件目录中，每个用户目录文件都占有一个目录项，其目录项中包括用户名和指向该用户目录文件的指针,两级目录结构优点：（1）提高了检索目录的速度。（2）在不同的用户目录中，可以使用相同的文件名。（3）不同用户还可使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。,2.两级目录,7.3.3 树形结构目录（多级目录结构）,（1）目录结构：主目录在这里被称为根目录，把数据文件称为树叶，其它的目录均作为树的结点。,（2）路径名从树的根（即主目录）开始，把全部目录文件名与数据文件名，依次地用“/”连接起来，即构成该数据文件的路径名（path name）。系统中的每一个文件都有惟一的路径名。（3）当前目录为每个进程设置一个“当前目录”，又称为“工作目录”进程对各文件的访问都相对于“当前目录”而进行。,7.3.3 树形结构目录（多级目录结构）,增加目录在用户要创建一个新文件时，只需查看在自己的UFD及其子目录中，有无与新建文件相同的文件名。若无，便可在UFD或其某个子目录中增加一个新目录项。目录删除采用下述两种方法处理：（1）不删除非空目录。（2）可删除非空目录。,（4）增加和删除目录,7.3.4 目录查询技术,对目录进行查询的方式有两种：线性检索法和Hash方法。1线性检索法 线性检索法又称为顺序检索法。在单级目录中，利用用户提供的文件名，用顺序查找法直接从文件目录中找到指名文件的目录项。在树型目录中，用户提供的文件名是由多个文件分量名组成的路径名，此时须对多级目录进行查找。,1线性检索法,假定用户给定的文件路径名是/usr/ast/mbox，则查找/usr/ast/mbox文件的过程如图7-12 所示,Hash方法:建立了一张Hash索引文件目录，系统利用用户提供的文件名并将它变换为文件目录的索引值，再利用该索引值到目录中去查找。Hash方法将显著地提高检索速度。在文件名中使用了通配符“*”、“？”等，系统便无法利用Hash法检索目录，因此，需要利用线性查找法查找目录。,2 Hash方法,在进行文件名的转换时，有可能把”n个不同的文件名转换为相同的Hash值，称谓的“Hash冲突”。Hash查找过程：在利用Hash值查找目录时，如果目录表中相应的目录项是空的，则表示系统中并无指定文件。如果目录项中的文件名与指定文件名相匹配，则表示该目录项正是所要寻找的文件所对应的目录项，故而可从中找到该文件所在的物理地址。如果在目录表的相应目录项中的文件名与指定文件名并不匹配，则表示发生了“Hash冲突”。,2 Hash方法,解决Hash冲突的方法：将其Hash值再加上一个常数（该常数应与目录的长度值互质），形成新的索引值，再返回到第一步重新开始查找。,2Hash方法,本章内容,7.1 文件和文件系统 7.2 文件的逻辑结构7.3 文件目录7.4 文件共享7.5 文件保护,7.4 文件共享,文件共享即指系统应允许多个用户（进程）共享同一份文件。在系统中只需保留该共享文件的一份副本。当前常用的两种文件共享方法:（1）基于索引结点的共享方式（2）利用符号链实现文件共享,7.4.1 基于索引结点的共享方式,7.4.1 基于索引结点的共享方式,7.4.1 基于索引结点的共享方式,7.4.2 利用符号链实现文件共享,为使B能共享C的一个文件F，可以由系统创建一个LINK类型的新文件，也取名为F并将F写入B的目录中，以实现B的目录与文件F的链接；在新文件中只包含被创文件F的路径名。这样的链接方法被称为符号链接.新文件中的路径名，则只被看作是符号链。当B要访问被链接的文件F且正要读LINK类新文件时，将被OS截获，OS根据新文件中的路径名去读该文件，于是就实现了用户B对文件F的共享。,在利用符号链方式实现文件共享时，只是文件主才拥有指向其索引结点的指针，而共享该文件的其它用户，则只有该文件的路径名，并不拥有指向其索引结点的指针。符号链方式优点：能连接任何机器上的文件。每增加一个连接，就增加一个文件名，各用户使用自己的名字去共享文件。缺点：备份是可能会产生多个拷贝。,7.4.2 利用符号链实现文件共享,本章内容,7.1 文件和文件系统 7.2 文件的逻辑结构7.3 文件目录7.4 文件共享7.5 文件保护,7.5 文件保护,影响文件安全性的因素：（1）人为因素。（2）系统因素。（3）自然因素。,采取的措施,（1）存取控制，防止由人为因素所造成的文件不安全性；（2）系统容错技术，防止系统部分的故障所造成的文件的不安全性；（3）建立后备系统，防止由自然因素造成的不安全性。,7.5.1 保护域,1.访问权 由系统来控制进程对对象的访问；对象：硬件，软件；对对象施加的操作：读，写，执行。访问权：一个进程能对某对象执行操作的权力，用一个有序对（对象名，权集）表示；（F1，R/W)表示某进程对文件F1执行读和写操作的权力,2.保护域,“保护域”简称“域”，是进程对一组对象访问权的集合，进程只能在指定域内执行操作。P244图7-17,3.进程和域间的静态联系,一一对应，一个进程只联系一个域静态域,4.进程和域间的动态联系,一对多进程的运行分为若干个阶段，每个阶段联系一个域,7.5.2 访问矩阵,1.基本的访问矩阵用一个矩阵来描述系统的访问控制，行代表域，列代表对象访问权由资源的拥有者或者管理者决定 P245图7-18,2.具有域切换权的访问矩阵切换作为一种权力，仅当进程有切换权时，才能进行切换增加几个对象作为域，当SACCESS(i，j）时，才允许从i切换到j.P246图7-19,7.5.3 访问矩阵的修改,1.拷贝权(列上改变）P246图7-202.所有权(列上改变）P247图7-213.控制权(行上改变）P247图7-22,7.5.4 访问矩阵的实现,1.访问控制表 对访问矩阵按列划分，为每一列建立一张访问控制表ACL 删除空项,2.访问权限表 对访问矩阵按行划分，为每一行建立一张访问权限表 一个域对每一个对象可以执行的一组操作所构成的表 P248图7-23,本章要求,理解：文件系统的基本概念、目录管理、文件共享、文件保护的方法。掌握：文件逻辑结构、文件的物理结构、文件目录,作业,P249练习题6、8、11、12、13、16、17、19,66,以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！,