操作系统文件系统课件.ppt
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1、第七章,文件系统,信息,是计算机系统,中的,重要资源,。操作系,统中的一个重要组成部,分,,文件系统,,就负责,信息的组织、存储和访,问。,文件系统的功能就,是提供,高效、快速和方,便的信息存储和访问功,能,。本章的主要内容就,是,信息的组织,。,7.1,引言,7.2,文件的组织,7.3,文件目录,7.4,文件和目录的使用,7.5,文件共享,7.6,外存存储空间管理,7.7,文件系统举例,7.1,引言,7.1.1,文件管理的目的,7.1.2,文件系统的基本概念,7.1.3,文件系统的结构和功能元素,返回,7.1.1,文件管理的目的,?,方便,的文件访问和控制:以符号名称作为文件标识,便于用,户
2、使用;,?,并发,文件访问和控制:在多道程系统中支持对文件的并发访,问和控制;,?,统一,的用户接口:在不同设备上提供同样的接口,方便用户,操作和编程;,?,多种文件访问,权限,:在多用户系统中的不同用户对同一文件,会有不同的访问权限;,?,优化性能,:存储效率、检索性能、读写性能;,?,差错恢复,:能够验证文件的正确性,并具有一定的差错恢复,能力;,返回,7.1.2,文件系统的基本概念,1.,文件,文件,是具有,符号名,的,数据项的集合,。,文件名,是,文件的标识符号。文件包括两部分:,?,文件体,:文件本身的信息;,?,文件说明,:文件存储和管理信息;如:文件,名、文件内部标识、文件存储地
3、址、访问权,限、访问时间等;,返回,2.,文件系统,文件系统是操作系统中,管理文件的机构,,提供,文件,存储和访问,功能。,3.,目录,目录是由,文件说明索引,组成的用于,文件检索,的,特殊文件,。,7.1.3,文件系统的结构和功能元素,1.,文件系统的结构,应用程序,多种文件类型(划分记录,顺序或索引等),基本,I/O,管理(,I/O,缓存和调度,性能优化),物理,I/O,(基本文件系统),外部存储器,文件系统,返回,2.,文件管理的服务功能元素,(,文件系统向上层用户提供的服务,),?,?,?,?,?,文件访问,:文件的创建、打开和关闭,文件的读写;,目录管理,:用于文件访问和控制的信息,
4、不包括文件内容,文件结构管理,:划分记录,顺序,索引,访问控制,:并发访问和用户权限,限额,(quota),:限制每个用户能够建立的文件数目、占用外存,空间大小等,?,审计,(auditing),:记录对指定文件的使用信息(如访问时间和,用户等),保存在日志中,3.,文件系统的实现功能元素,(,文件系统要实现的功能模块,),?,?,?,?,文件的分块存储,:与外存的存储块相配合,I/O,缓冲和调度,:性能优化,文件定位,:在外存上查找文件的各个存储块,外存存储空间管理,:如分配和释放。主要针对可改写的外,存如磁盘。,?,外存设备访问和控制,:包括由设备驱动程序支持的各种基,本文件系统如硬盘,软
5、盘,,CD ROM,等,7.2,文件的组织,(file organization),文件组织讨论,文件的内部逻辑结构,,主要考虑,因素是文件,存储性能,和,访问性能,。,7.2.1,文件的组织,7.2.2,文件的组织类型,返回,7.2.1,文件的组织,文件的组织是指从,用户观点,出发讨论文件,内部的逻辑,结构,(logical structure),或,用户访问模式,;它可以,独立于,在外存上的物理存储,。,?,文件逻辑结构的设计要求:,访问性能:便于检索;便于修改,存储性能:向物理存储转换方便,节省空间,?,文件的不同组织层次:域、记录、文件,返回,7.2.2,文件的组织类型,1.,无结构文
6、件,文件体为,字节流,,不划分记录,顺序访问,每次读写,访问可以指定任意数据长度。当前操作系统中常用的,文件组织。,2.,累积文件,(pile),文件体为,无结构记录序列,,通过,特定分隔符,来划分记,录,各,记录大小和组成可变,。,新记录总是添加到文件,末尾,。如日志,log,,或电子邮件的邮箱文件,(mailbox),。,检索必须从头开始,。,返回,3.,顺序文件,(sequential file),文件体为,大小相同,的,排序,记录序列。它由一个,主文件,和一个,临时文件,组成。记录大小相同,按某个关键字,域,(key field),排序,存放在主文件,(master file),中。,
7、新记,录,暂时保存在日志或事务文件,(log file or transaction,file),中,,定期归并,入主文件。,4.,索引顺序文件,(indexed-sequential file),在顺序文件(主文件,main file,)的基础上,另外建立,索,引,(index),和,溢出文件,(overflow file),。这样做的目的是,加快顺序文件的,检索速度,。,?,在索引文件中,可,将关键字域中的取值划分若干个区间,(如,AZ,可以划,分为,A,到,Z,共,26,个区间),每个区间对应一个索引项,后者指向该区间的,开头记录。,新记录,暂时保存在溢出文件中,定期归并入主文件。,?,
8、通过划分层次,在记录数量较大时,比顺序文件大大缩短检索时间。,顺,序文件是,N/2(,这时可使用折半查找,),,而索引顺序文件(,一级索引,)是,i/2,+N/(2*i),,其中,i,为索引长度。索引还可以是,多级,的。如:有,1000,000,条记录的顺序文件的平均检索长度为,500,000,,而在添加一个有,1000,条,索引项的索引文件后,平均检索长度为,1000,。,姓名,关键字,逻辑地址,A,B,An Bing,An Kang,An Qing,Bao Rong,Bi Jing,Bon Long,Z,索引文件,其它属性,顺序文件,索引顺序文件,5.,索引文件,(indexed file
9、),记录大小不必相同,,,不必排序,,存放在主文件,(primary file),中。索引文件与索引顺序文件的区别在于,主文件不排序。另外建立索引,,每个索引项指向一个,记录,,索引项按照记录中的某个关键字域排序。对同,一主文件,可以针对不同的关键字域相应建立,多个索,引,。索引文件的记录项通常较小,,查找速度快,,便于,随机访问,(random access),。,6.,哈希文件或直接文件,(hashed file or direct file),记录大小相同。由主文件和溢出文件组成。,记录位置,由哈希函数确定。,检索时给出记录编号,通过哈希函,数计算出该记录在文件中的相对位置。,访问速度快
10、,,,但在,主文件中有空闲空间,。,7.3,文件目录,目录是由,文件说明索引,组成的,用于文件检索,的特殊文,件。文件目录的内容主要是,文件访问的控制信息,(不,包括文件内容)。,7.3.1,目录内容,7.3.2,目录结构类型,7.3.3,文件别名的实现,返回,7.3.1,目录内容,目录的内容是,文件属性信息,(properties),,其中的一,部,分,是,用户可获取,的。,1.,基本信息,?,文件名,:字符串,通常在不同系统中允许不同的最大长度。,可以修改。有些系统允许同一个文件有多个别名,(alias),;,?,别名的数目;,?,文件类型,:可有多种不同的划分方法,如:,有无结构(记录文
11、件,流式文件),内容(二进制,文本),用途(源代码,目标代码,可执行文件,数据),属性,attribute,(如系统,隐含等),文件组织(如顺序,索引等),返回,2.,地址信息,?,存放位置,:包括哪个设备或文件卷,volume,,以及各个存储块,位置;,?,文件长度,(当前和上限):以字节、字或存储块为单位。可,以通过写入或创建、打开、关闭等操作而变化。,3.,访问控制信息,?,文件所有者(属主):,通常是创建文件的用户,,或者改变已有文件的属主;,?,访问权限,(控制各用户可使用的访问方式):如,读、写、执行、删除等;,4.,使用信息,?,创建时间,?,最后一次读访问的时间和用户,?,最后
12、一次写访问的时间和用户,7.3.2,目录结构类型,目录结构讨论目录的组织结构,设计目标是检索效率。,?,一级目录,:整个目录组织是一个线性结构,系统中的所有文,件都建立在一张目录表中。它主要用于单用户操作系统。它,具有如下的特点:,结构简单;,文件多时,目录检索时间长;,有命名冲突:如重名,(,多个文件有相同的文件名,),或别名,(,一个文件有多,个不同的文件名,),?,二级目录,:在根目录下,每个用户对应一个目录(第二级目,录);在用户目录下是该用户的文件,而不再有下级目录。,适用于多用户系统,各用户可有自己的专用目录。,返回,?,多级目录,:或称为树状目录,(tree-like),。在文件
13、数目较多时,,便于系统和用户将文件分散管理。适用于,较大的文件系统,管,理。目录级别太多时,会增加路径,检索时间,。,目录名,:可以修改。,目录树,:中间结点是目录,叶子结点是目录或文件。,目录的上下级关系,:,当前目录,(current directory,working,directory),、,父目录,(parent directory),、,子目录,(subdirectory),、,根,目录,(root directory),等;,路径,(path),:每个目录或文件,可以由根目录开始依次经由的各级目,录名,加上最终的目录名或文件名来表示;,根目录,A,B,C,A,B,D,F,E,D,
14、B,G,A,E,H,I,J,K,A,B,C,D,E,L,M,N,A,E,P,多级目录组织,?,改进的多级目录,:为了提高,目录检索速度,,可把目录中的文,件说明(文件描述符)信息分成两个部分:,符号文件目录,:由,文件名,和,文件内部标识,组成的树状结构,按文件,名排序;,基本文件目录,(索引节点目录):由,其余文件说明信息,组成的,线性,结构,,按文件内部标识排序;,内部名,其它信息,ID,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,文件名,地址,Tu-Lide,ID,3,文件名,Software,Tools,Products,Rooms,ID,4,6,7,5,Tu-Qi,8,根目录(I
15、D2),ID4,ID5,Tu-Lide的目录(ID3),文件名,ID,文件名,Tools,Univer,Classroom,ID,9,10,5,SA-SD,Univer,11,10,ID7,ID9,ID10,ID11,Tools的目录(ID6),基本文件目录(ID1),Tu-Lide的目录(ID3),基本文件目录,根目录(ID2),Tu-Lide,Tu-Qi,Tu-Lide的目录(ID3),Software,Tools,Products,Tools的目录(ID6),ID4,Univer,ID11,SA-SD,ID7,ID5,ID10,ID9,Tu-Lide的目录(ID8),Rooms,Tool
16、s,Univer,Classroom,符号文件目录的层次结构,7.3.3,文件别名的实现,提供文件共享的方法有两种:各用户通过唯一的共,享文件的,路径名,访问共享文件(该方法的访问,速度,慢,,适用于不经常访问的文件共享),或利用多个,目录中的不同文件名来描述同一共享文件(即,文件,别名,,该方法的访问,速度快,,但会,影响文件系统的,树状结构,,适用于经常访问的文件共享,同时,存在,一定的限制,)。文件别名的实现方法有以下两种:,?,基于索引结点,?,基于符号链接,返回,1.,基于索引结点,(index node),的文件别名,也称为硬链接(,hard link,);基于改进的多级目录结,构
17、,,将目录内容分为两部分:文件名和索引结点,。前,者包括文件名和索引结点编号,后者包括文件的其他,内容(包括属主和访问权限)。通过,多个文件名链接,(link),到同一个索引结点,,可建立同一个文件的,多个彼,此平等的别名,。别名的数目记录在索引结点的链接计,数中,若其减至,0,,则文件被删除。,?,UNIX,举例:,ln source target;rm source,则该文件还存在,文,件名为,target,;,?,限制:不能跨越不同文件卷;通常不适用于目录(在,UNIX,中只对,超级用户允许),否则由树状变为网状。,2.,基于符号链接,(symbolic link,shortcut),的
18、文件别名,它是一种,特殊类型的文件,,其内容是,到另一个目录或,文件路径的链接,。建立符号链接文件,并,不影响原文,件,,实际上它们各是一个文件。可以建立任意的别名,关系,甚至原文件是在其他计算机上。,?,UNIX,举例:,ln-s a b;rm a,则文件,a,不存在,,b,能被,控制但无法访问。若,a,是目录,,ln-s/user/a,/tmp/b,则,cd/tmp/b;cd.,是进入目录,/user,而不,是,/tmp,;,?,缺点:空间和时间开销更大。如果设置不当,上下级,目录关系可能会形成环状。,7.4,文件和目录的使用,这一部分讨论操作系统提供的与文件系统相关的,API,。,7.4
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