操作系统-第八章 系统.ppt

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1、第八章第八章文件系统文件系统8.1文件系统的概念一、文件的引入图图7.1操作系统的软硬件管理操作系统的软硬件管理(1)使用现有的软件资源来协助完成自己的任务。使用现有的软件资源来协助完成自己的任务。例如，例如，编辑、编辑、编译及链接程序来生成目标代码；编译及链接程序来生成目标代码；利用系统调用利用系统调用库函数与实用程序来减少编程工作库函数与实用程序来减少编程工作,避开与硬件有关的避开与硬件有关的部分等。部分等。(2)编制完成的或未完成的程序存放在什么地方编制完成的或未完成的程序存放在什么地方,需要访需要访问的数据存放在什么地方，从而使得人们可以再利用已问的数据存放在什么地方，从而使得人们可以

2、再利用已有的软件资源。有的软件资源。事实上，这两个问题是一个怎样对软件资源（程序事实上，这两个问题是一个怎样对软件资源（程序和数据）进行透明存放，并能令这些程序和数据做到召和数据）进行透明存放，并能令这些程序和数据做到召之即来的问题。之即来的问题。大容量直接存取的磁盘存储器以及顺序存取的磁大容量直接存取的磁盘存储器以及顺序存取的磁带存储器等的出现，为程序和数据等软件资源的透明存带存储器等的出现，为程序和数据等软件资源的透明存取提供了物质基础。取提供了物质基础。这导致了对软件资源管理质的飞跃这导致了对软件资源管理质的飞跃文件系统的文件系统的出现。文件系统把相应的程序和数据看作文件，并把它出现。文

3、件系统把相应的程序和数据看作文件，并把它们存放在磁盘或磁带等大容量存储介质上，从而做到对们存放在磁盘或磁带等大容量存储介质上，从而做到对程序和数据的透明存取。程序和数据的透明存取。二、文件二、文件1、定义：具有符号名字的一组信息序列，、定义：具有符号名字的一组信息序列，称为一个文件。称为一个文件。文件代表广泛的内容，各种程序、数据、文件代表广泛的内容，各种程序、数据、文字、图表以及外部设备都可以看作文件文字、图表以及外部设备都可以看作文件来处理。来处理。2、分类：、分类：按照性质和用途将文件分为：系统文件、按照性质和用途将文件分为：系统文件、用户文件、库文件；用户文件、库文件；按照组织形式分为

4、：普通文件、目录文按照组织形式分为：普通文件、目录文件、特殊文件；件、特殊文件；3、文件的、文件的属性属性：文件名，文件类型，文件长度，创建者，文件名，文件类型，文件长度，创建者，创建时间，修改时间，文件定位信息创建时间，修改时间，文件定位信息，权，权限信息，文件所包含的信息等。限信息，文件所包含的信息等。三、文件系统三、文件系统1、定义：操作系统中，管理文件的软件机构即、定义：操作系统中，管理文件的软件机构即程序、数据等，称为文件系统。其主要任务是程序、数据等，称为文件系统。其主要任务是完成用户对文件的完成用户对文件的按名存取按名存取。2、文件系统要做的工作：、文件系统要做的工作：A、对文件

5、进行组织，形成文件结构，包括逻对文件进行组织，形成文件结构，包括逻辑结构和物理结构。辑结构和物理结构。B、形成文件目录结构，以便于查找文件。形成文件目录结构，以便于查找文件。C、对文件存储空间对文件存储空间(如磁盘空间如磁盘空间)进行管理。进行管理。D、确定文件的存取方式。确定文件的存取方式。E、实现文件的保护、保密和共享。实现文件的保护、保密和共享。F、提供用户使用文件系统的手段和方法。提供用户使用文件系统的手段和方法。8.2文件的逻辑结构与存取方法文件的逻辑结构与存取方法一、逻辑结构：一、逻辑结构：1、定义：文件的逻辑结构是指，由用户、定义：文件的逻辑结构是指，由用户给定的文件形式，即呈现

6、在用户面前的文给定的文件形式，即呈现在用户面前的文件面貌。如学生的成绩表。件面貌。如学生的成绩表。2、结构形式：、结构形式：A、字符流形式。字符流形式。B、记录式：文件由记录组成，也以记记录式：文件由记录组成，也以记录为单位进行存取。录为单位进行存取。性别：男性别：男出生年月：出生年月：1971年年9月月工资：工资：77元元姓名：姓名：A记录名记录名R1296:键键属性值属性值属性属性图图 8.2 记录组成例记录组成例逻辑地址逻辑地址常见的记录式结构文件有：常见的记录式结构文件有：连续结构连续结构多重结构多重结构转置结构转置结构顺序结构顺序结构记录式文件1：连续结构连续结构连续结构把记录按生成

7、的先后顺序连续排列把记录按生成的先后顺序连续排列特点特点适用性强，可用于所有文件适用性强，可用于所有文件记录的排列顺序与记录的内容无关，有利于记录的记录的排列顺序与记录的内容无关，有利于记录的追加与变更。追加与变更。缺点缺点连续结构文件的搜索性能较差，在要找出某个指定连续结构文件的搜索性能较差，在要找出某个指定键的记录时，系统必须对文件全部记录进行搜索。键的记录时，系统必须对文件全部记录进行搜索。记录式文件2：多重结构多重结构多重结构并以键并以键Ki为队首，以包含键为队首，以包含键Ki的记录为队列元素来构成一个的记录为队列元素来构成一个记录队列。对于一个有记录队列。对于一个有m个键的队列来说，

8、这样的队列有个键的队列来说，这样的队列有m个。这个。这m个队列构成了该文件的多重结构个队列构成了该文件的多重结构(multi_list),如如下图。下图。查找方式查找方式:在查找某一特定记录时，必须在找到该记录所对在查找某一特定记录时，必须在找到该记录所对应的键之后，再在该键所对应的队列中顺序查找。应的键之后，再在该键所对应的队列中顺序查找。记录式文件3：转置结构转置结构转置结构把含有相同键的记录把含有相同键的记录指针全部指向该键，指针全部指向该键，即把所有与同一键对即把所有与同一键对应的记录的指针连续应的记录的指针连续地置于目录中该键的地置于目录中该键的位置下。位置下。特点：最适合于给定特点

9、：最适合于给定键后的记录搜索。键后的记录搜索。记录式文件4：顺序结构顺序结构顺序结构对记录按照某种优先顺序（比如字对记录按照某种优先顺序（比如字母顺序）首先进行排序母顺序）首先进行排序如果系统要求按某种优先顺序来搜如果系统要求按某种优先顺序来搜索或追加、删除记录，则最好采用索或追加、删除记录，则最好采用顺序结构。顺序结构。二、存取（二、存取（访问）访问）方法：方法：1、文件的存取方法是指：按照文件的逻、文件的存取方法是指：按照文件的逻辑结构存取文件的形式。辑结构存取文件的形式。2、形式：、形式：A、顺序存取顺序存取B、直接存取直接存取(随机存取随机存取)C、按键存取按键存取3、存取形式取决于、

10、存取形式取决于?A、数据格式（逻辑结构）、数据格式（逻辑结构）B、存储设备、存储设备C、物理结构（存储方式）、物理结构（存储方式）顺序存取法顺序存取法顺序存取是顺序存取是按照文件的逻辑地址按照文件的逻辑地址顺序存取。顺序存取。在在记录式文件记录式文件中，这反映为按记录的排列中，这反映为按记录的排列顺序来存取，例如，若当前读取的记录为顺序来存取，例如，若当前读取的记录为Ri，则下一次读取的记录被自动地确定为，则下一次读取的记录被自动地确定为Ri的下一个相邻的记录的下一个相邻的记录Ri+1。在无结构的在无结构的字符流文件字符流文件中，顺序存取反映中，顺序存取反映当前读写指针的变化。在存取完一段信息

11、当前读写指针的变化。在存取完一段信息之后，读写指针自动加或减去该段信息长之后，读写指针自动加或减去该段信息长度，以便指出下次存取时的位置。度，以便指出下次存取时的位置。随机存取（随机存取（直接存取）直接存取）法法随机存取法随机存取法:允许用户根据记录的编号允许用户根据记录的编号来来存取文件的任一记录，或者是根据存取存取文件的任一记录，或者是根据存取命令把读写指针移到欲读写处来读写。命令把读写指针移到欲读写处来读写。随机存取随机存取定长记录定长记录的顺序文件，第的顺序文件，第i个记录的首地址为：个记录的首地址为：RptraddriL其中其中addr是该文件的首地址，是该文件的首地址，L为记录长度

12、。为记录长度。变长记录的文件变长记录的文件，通常采用，通常采用索引文件的方式组索引文件的方式组织，由于索引表本身是定长的织，由于索引表本身是定长的，也可以采用同，也可以采用同样的方法，先用直接存取法在索引表中找，再样的方法，先用直接存取法在索引表中找，再找到具体对应的地址。找到具体对应的地址。按关键字存取按关键字存取按键存取法按键存取法实质上实质上是是直接存取法直接存取法，它不是根，它不是根据记录编号或地址来存取，而是据记录编号或地址来存取，而是根据文件记根据文件记录中的关键字录中的关键字(通常称为键通常称为键)经过某种方法计经过某种方法计算处理，算处理，转换成相应的物理地址转换成相应的物理地

13、址后进行存取；后进行存取；它被广泛用于现代操作系统和数据库管理系它被广泛用于现代操作系统和数据库管理系统中的数据查找。统中的数据查找。8.3文件的物理结构与存储设备文件的物理结构与存储设备一、物理结构一、物理结构1、定义：文件的物理结构是指文件在文件存储、定义：文件的物理结构是指文件在文件存储器上的存放方式，是由操作系统给定的。器上的存放方式，是由操作系统给定的。2、形式：、形式：A、连续存放方式连续存放方式连续文件：连续文件：逻辑上连续的文件放在连续的存储器中。逻辑上连续的文件放在连续的存储器中。文件长度（文件长度（4）第一物理块号（第一物理块号（10）文件文件A文件说明信息文件说明信息物理

14、存储设备物理存储设备10 11 12 13 物理块号物理块号逻辑块号逻辑块号 0 1 2 3图图 8.8 连续文件结构连续文件结构B、链接块存放方式链接块存放方式串联文件：串联文件：逻辑上连续的程序，放在非连续的物理块逻辑上连续的程序，放在非连续的物理块中，将物理块链成一个串联队列，便于插中，将物理块链成一个串联队列，便于插入和删除记录。入和删除记录。第一物理块号第一物理块号20文件说明信息文件说明信息物理块号物理块号连接指针连接指针逻辑块号逻辑块号图图 8.9 串联文件的物理结构串联文件的物理结构2015015221222522503C、索引表形式索引表形式索引文件：索引文件：逻辑上连续的程

15、序放在不连续的磁盘之中。逻辑上连续的程序放在不连续的磁盘之中。通过一个索引表，指出逻辑记录和物理块通过一个索引表，指出逻辑记录和物理块的对应关系，便于直接存取。的对应关系，便于直接存取。索引表指针索引表指针文件说明信息文件说明信息逻辑逻辑块号块号0123图图 8.10 索引文件示意图索引文件示意图20索引表索引表物理物理块号块号20152225152225多重索引：多重索引便于增加文件的长度。多重索引：多重索引便于增加文件的长度。索引表指针索引表指针文件说明信息文件说明信息逻辑逻辑块号块号0123图图 8.11 多重索引结构多重索引结构20索引表索引表物理物理块号块号2015222515222

16、5物理块号物理块号物理块号物理块号物理块号物理块号物理块号物理块号文件信息文件信息文件信息文件信息二、文件存储设备二、文件存储设备设备分类：和直接存储。设备分类：和直接存储。顺序存储：顺序存储：磁带磁带直接存储：主要是磁盘和光盘。主要介绍磁盘。直接存储：主要是磁盘和光盘。主要介绍磁盘。图图 8.13 磁盘的结构磁盘的结构扇区扇区0扇区扇区1扇区扇区2磁头磁头磁道磁道0磁道磁道1磁道磁道2磁头臂磁头臂柱面柱面8.4文件存储空间管理文件存储空间管理文件存储管理是指对空闲块的组织和管理，文件存储管理是指对空闲块的组织和管理，通常有空闲文件目录法、位示图法和空闲通常有空闲文件目录法、位示图法和空闲块链

17、接法。块链接法。一、位示图法：一、位示图法：用一个字的一位代表一个磁盘块，当该位用一个字的一位代表一个磁盘块，当该位为为0时表示该块空闲。时表示该块空闲。313029282743210011111101100011001100011100000 位示图位示图第第0字字第第1字字第第99字字二、空闲文件目录二、空闲文件目录空白文件：一个连续的未分配区域（可能包含若干个空白文件：一个连续的未分配区域（可能包含若干个空闲块）空闲块）空白文件目录：空白文件目录：维护所有空白文件的表结构维护所有空白文件的表结构三、空闲块链接法三、空闲块链接法1、单块链接、单块链接把所有空闲块用指针链接起来，从链头把所有

18、空闲块用指针链接起来，从链头分配从链尾插入。分配从链尾插入。2、成组链接法、成组链接法A、把磁盘中所有空闲块，按一定数量、把磁盘中所有空闲块，按一定数量分为小组，组与组之间进行连接，小组从分为小组，组与组之间进行连接，小组从后向前顺次划分，每组的第一块存放前一后向前顺次划分，每组的第一块存放前一组中各块的块号和总块数。组中各块的块号和总块数。124950总块数总块数39专用块专用块491251149150总块数总块数1005014951151240250总块数总块数1001502491513514490总块数总块数100350449351251349350总块数总块数100250349251空

19、闲块成组链接示意空闲块成组链接示意B、空闲块的分配空闲块的分配查查L单元内容单元内容(空闲块总数空闲块总数)：当空闲块数当空闲块数1iL空闲块总数空闲块总数(把把i作主存地址作主存地址)；从从i单元得到一空闲块号；单元得到一空闲块号；该块分配给申请者；该块分配给申请者；空闲块总数减空闲块总数减1；当空闲块当空闲块1取出取出L+1单元内容单元内容(一组的第一块块号一组的第一块块号)；其值其值0，无空闲块，申请者等待；，无空闲块，申请者等待；否则，将该块中内容复制到专用块；否则，将该块中内容复制到专用块；该块分配给申请者；该块分配给申请者；把专用块内容读到主存把专用块内容读到主存L开始的区域。开始

20、的区域。C、归还块归还块取取L单元的空闲块总数单元的空闲块总数当块数当块数100空闲块总数空闲块总数1；jL空闲块数空闲块数(j作主存地址作主存地址)归还块号填入归还块号填入j单元。单元。当块数当块数100把主存中登记的信息写入归还块中；把主存中登记的信息写入归还块中；把归还块号填入把归还块号填入L1单元；单元；将将L单元置单元置1。8.5文件目录管理文件目录管理一、文件控制块（一、文件控制块（FCB）文件文件说明文件体文件文件说明文件体为了便于管理文件，系统为每个文件建立为了便于管理文件，系统为每个文件建立了一张登记表称为文件说明或文件控制块。其了一张登记表称为文件说明或文件控制块。其主要内

21、容有，文件名、文件存放地址、文件的主要内容有，文件名、文件存放地址、文件的结构形式、文件主、合作用户、建立文件的日结构形式、文件主、合作用户、建立文件的日期等等。期等等。文件名文件名记录长记录长记录数记录数起始块号起始块号其他其他ALPHA500525BETA4001030TEST500740ASS300847一级目录一级目录不能不能解决解决文件重名文件重名问题。问题。二、文件目录二、文件目录 1.文件控制块的集合就是文件目录。文件控制块的集合就是文件目录。最简单的文件目录是一级目录。最简单的文件目录是一级目录。控制权交给文件系统控制权交给文件系统计算读写信息的物理块号计算读写信息的物理块号

22、图图 8.15 单级目录的读写处理过程单级目录的读写处理过程找到了吗找到了吗?否否是是失败返回失败返回读读/写？写？读读写写系统调用系统调用根据给定的文件名根据给定的文件名搜索单级目录表搜索单级目录表分配存储空间分配存储空间 改写单级目录表改写单级目录表 调用设备管理程序调用设备管理程序控制权转移控制权转移 2.二级目录和多级目录二级目录和多级目录3.A 二级目录二级目录ZhangWang物理物理地址地址控制控制目录目录大小大小用户名用户名主主目录目录MFDEditorA.C物理始址物理始址各种属性各种属性文件名文件名Zhang的文件目录的文件目录UFDEditorA.C物理始址物理始址各种属

23、性各种属性文件名文件名Wang的文件目录的文件目录UFD/a.cEditora.c同名同名图图 8.16 二级目录结构二级目录结构二级目录便于解决文件重名和共享。二级目录便于解决文件重名和共享。B多级目录多级目录多级目录层次清楚，查找速度快，也便于多级目录层次清楚，查找速度快，也便于解决重名和共享问题。解决重名和共享问题。1342651314121110 7 8 9 文件文件：目录文件目录文件：信息文件信息文件图图 8.17 文件系统的树形结构文件系统的树形结构三三.便于共享的目录组织便于共享的目录组织9876543210物理物理块号块号标识符标识符空闲文件目录空闲文件目录主主目录目录(MFD

24、)ID4Zhang3WangWang的的SFD ID6b.c5a.cZhang的的SFD ID7z.c8Sub_d6f.cSub_的的SFD ID9w.c/a.c/b.cf.cz.cw.c图图 8.19 采用基本文件目录的多级目录结构采用基本文件目录的多级目录结构四、目录管理四、目录管理由于文件成百上千，就有成百上千个由于文件成百上千，就有成百上千个文件控制块，组成的文件目录也很庞大，文件控制块，组成的文件目录也很庞大，为了便于管理文件目录，把文件目录也组为了便于管理文件目录，把文件目录也组织成文件放在磁盘上，叫织成文件放在磁盘上，叫目录文件目录文件。当使用某个文件时，将有关目录调入当使用某个

25、文件时，将有关目录调入内存，叫打开文件。其目的是加快读写文内存，叫打开文件。其目的是加快读写文件的速度。件的速度。当文件使用完以后，将有关目录送回当文件使用完以后，将有关目录送回磁盘，叫关闭文件。其目的是节省内存空磁盘，叫关闭文件。其目的是节省内存空间。间。8.6文件存取控制文件存取控制一、文件的保护一、文件的保护1、定义：防止文件主人和其他用户有意、定义：防止文件主人和其他用户有意无意的破坏文件。无意的破坏文件。2、保护文件的办法是：转存。、保护文件的办法是：转存。二、文件的保密二、文件的保密1、定义：防止不诚实的用户盗用文件定义：防止不诚实的用户盗用文件2、文件保密的方法文件保密的方法A、

26、存取控制矩阵存取控制矩阵B、存取控制表存取控制表None其他其他RWEWangEB组组REA组组RWE文件文件a.c文件名文件名用户用户图图 8.21 存取控制表存取控制表RWWRE.CWEWRD.CRWERRWB.CRWEERWEA.CZhangLeeWang文件名文件名用户用户存取数存取数图图 8.20 存取控制矩阵存取控制矩阵C、口令口令D、加密加密编码程序编码程序解码程序解码程序密码文件密码文件存储存储用户文件用户文件用户制定代码键用户制定代码键存取要求指定代码键存取要求指定代码键用户文件用户文件图图 8.22 加密解密过程加密解密过程8.7文件的使用文件的使用文件系统以系统调用方式或

27、命令方式为用文件系统以系统调用方式或命令方式为用户提供以下服务：户提供以下服务：1、设置和修改用户权限。、设置和修改用户权限。2、建立、改变、删除文件目录。、建立、改变、删除文件目录。3、共享、设置访问路径。、共享、设置访问路径。4、建立、打开、读写、关闭、复制以及、建立、打开、读写、关闭、复制以及撤销文件。撤销文件。8.8文件系统的层次模型文件系统的层次模型用户接口用户接口符号文件系统符号文件系统SFD基本文件系统基本文件系统BFD存取控制验证存取控制验证逻辑文件系统逻辑文件系统物理文件系统物理文件系统存储设备分配存储设备分配设备策略模块设备策略模块启动启动I/O回答回答用户存取要求用户存取

28、要求系统调用系统调用文件名文件名文件标识符文件标识符fd由由fd 获得控制信息获得控制信息合法性检查合法性检查逻辑块号逻辑块号相对块号相对块号相对块号相对块号物理块号物理块号物理块号物理块号设备设备要求的地址格式要求的地址格式设备管理设备管理图图 8.23 文件系统的层次模型文件系统的层次模型例例1：假设一个硬盘有假设一个硬盘有3个盘片，共个盘片，共4个记录面，转速为个记录面，转速为7200r/min,盘面有效记录盘面有效记录区域区域的外直径为的外直径为30cm，内直径为，内直径为10cm，记录位密度为，记录位密度为250b/mm，磁道，磁道密度为密度为8道道/mm，每磁道分每磁道分16个扇区

29、，每扇区个扇区，每扇区512字节，试计算该磁盘的非字节，试计算该磁盘的非格式化容量，格式化容量格式化容量，格式化容量和数据传输率。和数据传输率。答：答：非格式化容量非格式化容量=最大位密度最大位密度最内圈周长最内圈周长总磁道数总磁道数最内圈周长最内圈周长=100*3.1416=314.16mm每记录面的磁道数每记录面的磁道数=(150-50)8=800道；道；因此，每记录面的非格式化容量因此，每记录面的非格式化容量=314.16250800/8=7.5M格式化容量格式化容量=每道扇区数每道扇区数扇区容量扇区容量总磁道数总磁道数=165128004/1024/1024=25M硬盘平均数据传输率公式：硬盘平均数据传输率公式：平均数据传输率平均数据传输率=每道扇区数每道扇区数扇区容量扇区容量盘片转速盘片转速=165127200/60=960kb/s注：解这类题关键是要注意单位的换算。注：解这类题关键是要注意单位的换算。