操作系统·文件管理

文件系统基础

文件的基本概念

• 文件
• 文件系统
• 文件的结构（自低向高）
  • 数据项
    • 基本数据项
    • 组合数据项
  • 记录
  • 文件

文件控制块和索引结点

• 文件的属性
  • 名称
  • 类型
  • 创建者
  • 所有者
  • 位置
  • 大小
  • 保护
  • 创建时间
• FCB
  • 用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构
  • FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项
  • 包含信息
    • 基本信息
    • 存取控制信息
    • 使用信息
• 索引结点
  • 概念
  • 磁盘索引结点
  • 内存索引结点

文件的操作

• 基本操作
  • 创建
  • 写
  • 读
  • 重新定位
  • 删除
  • 截断
• 文件的打开与关闭
  • open 提供文件名，其他的不用，只需提供编号？
  • 打开文件表
    • 整个系统表
      • FCB的副本及其他信息
      • 打开计数器
      • 文件名不必需
      • 文件描述符（文件句柄）
      • 文件磁盘位置
    • 每个进程表
      • 指向系统表中适当条目的指针
      • 文件指针（读写位置）
      • 访问权限

文件保护

• 访问类型
  • 读
  • 写
  • 执行
  • 添加
  • 删除
  • 列表清单（列出文件名和文件属性）
• 访问控制
  • 访问控制列表ACL（在PCB中）
    • 优点
    • 缺点
  • 精简的ACL
    • 拥有者
    • 组
    • 其他
  • 口令
  • 密码（密钥）

文件的逻辑结构

• 无结构文件（流式文件）
• 有结构文件（记录式文件）
  • 顺序文件（默认顺序存储）
  • 索引文件
  • 索引顺序文件
  • 直接文件/散列文件（hash file）

⭐文件的物理结构

• 连续分配
  • 特点
    • 顺序访问
    • 直接访问
  • 优点
    • 实现简单
    • 存取速度快
  • 缺点
    • 文件长度不宜动态增加
    • 外部碎片
• 链接分配（消除了外部碎片；动态）
  • 隐式链接（手拉手）
    • 缺点
      • 只适合顺序访问
      • 稳定性
    • 簇为结点的方法（增加了内部碎片哦）
  • 显式链接
    • 文件分配表（FAT）
    • 整个磁盘只有一张FAT
    • 系统启动时读入FAT
    • 查找是在内存中进行的显著提高速度
• 索引分配
  • 链接分配的问题
    • 除FAT，不能直接访问
    • FAT很大
  • 索引块（表），每个文件都来上一个
  • 索引块大小限制了文件大小
    • 解决方案
      • 链接方案（索引块之间的手拉手游戏）
      • 多层索引（索引的索引的索引的索引…（套娃ing））
      • 混合索引（Linux YYDS！）
• 混合索引分配
  • 直接地址
  • 一次间接地址
  • 多次间接地址

文件系统

文件系统布局

• FS在磁盘中的结构
  • 
  • MBR
  • 引导块
  • 超级块
    • 分区有多少磁盘块
    • 块的大小
    • 空闲块的数量和指针
    • 空闲的FCB数量
    • FCB指针
  • 空闲块信息
• FS在内存中的结构（存储在内存中的内核区）
  • 安装表（挂载表）
  • 目录结构的缓存
  • 整个系统的打开文件表
  • 每个进程的打开文件表

外存空闲空间管理

• 卷
  • 逻辑概念
  • FCB区（目录区）和数据区（文件区）
• 空闲表法
  • 表项
    • 序号
    • 第一个空闲盘块号
    • 空闲盘块数
• 空闲链表法
  • 空闲盘块链
  • 空闲盘区链
• 位示图法
• ❗成组链接法
  • 成组链块
    • n多个指向空闲盘块的指针
    • 1个指向下一个链块的指针
  • 盘块的分配
  • 盘块的回收

虚拟文件系统

• 透明化——提供统一接口
• 对象化——面向对象的思想
  • 超级块对象
  • 索引结点对象
  • 目录项对象
  • 文件对象

分区和安装

目录

目录的基本概念

目录结构

• 单级目录结构
• 两级目录结构
• 树形目录结构
• 无环图目录结构

目录的操作

• 搜索
• 创建文件
• 删除文件
• 创建目录
• 删除目录
• 移动目录
• 显示目录
• 修改目录

文件共享

• 静态共享方法
  • 硬链接
  • 软链接
  • 硬链接比软链接查找速度更快
• 动态共享方法

磁盘和固态硬盘

磁盘

• 磁盘
• 磁道
• 扇区
• 盘块
• 磁盘组
• 柱面
• 磁盘地址
  • [驱动器号] 柱面号 盘面号 扇区号
• 固定头磁盘
• 活动头磁盘
• 固定盘磁盘
• 可换盘磁盘

磁盘的管理

• 初始化
• 分区
• 引导块
• 坏块

磁盘调度算法

• 一次磁盘读写时间
  • 寻道时间（占比最长）
    • 跨越数条磁道
    • 磁头启动
  • 旋转延迟时间
    • 转半圈的时间
  • 传输时间
    • 取决于转速、数据量和扇区数
• 调度算法
  • FCFS
  • SSTF
  • SCAN
  • C-SCAN
  • LOOK

固态硬盘

• 特性
• 磨损均衡

FCB和inode（索引结点）

• 二者在功能定位上大致是相同的
• FCB主要用于Windows
• indoe主要用于Linux