计算机操作系统原理5.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算机操作系统原理,第,5,章 文件管理,第,5,章 文件管理,文件系统,是我们接触得比较多，而且也是比较印象比较深的操作系统的组成部分。,那么首先请大家先谈谈你使用过,文件系统,的哪些功能？你对你所用的,OS,在文件管理功能方面还有什么要求和建议？,文件管理的目的：,1,、方便的文件访问和控制：以符号名称作为文件标识，便于用户使用。,2,、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。,3,、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。,5.1,文件系统的概述,4,、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。,5,、优化性能：存储效率、检索性能、读写性能。,6,、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。,5.1,文件系统的概述,5.1.1,基本概念,文件,是具有文件名的一组相关信息的集合。可分为有结构文件和无结构文件两种。,在有结构的文件中，文件由若干个相关记录组成，而无结构文件则被看成是一个字符流。,5.1.1,基本概念,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、文件存储地址、访问权限、访问时间等。,5.1.1,基本概念,文件系统,是操作系统中以文件方式管理计算机软件资源的软件和被管理的文件和数据结构（如目录和索引表等）的集合。,5.1.1,基本概念,从系统角度看，,文件系统,是对文件的存储空间进行组织、分配，负责文件的存储并对存入文件进行保护、检索的系统。它负责为用户建立、撤消、读写、修改和复制文件。,5.1.1,基本概念,从用户角度看，,文件系统,主要实现了对文件按名存取。,5.1.1,基本概念,目录是由文件说明索引组成的用于文件检索的特殊文件。,子目录在,Windows,系统中称为,文件夹,。,5.1.2,文件的分类,按用途分：,系统文件,这类文件主要由操作系统核心和各种系统应用程序和数据组成。用户只能通过系统调用来执行这类文件，不容许对其读写和修改。,库文件,这类文件由标准子程序库组成。该类文件容许用户调用，但不容许用户修改。,用户文件,这类文件是用户委托系统保存的文件。如，源程序文件、可执行文件等。该类文件只由文件的所有者或所有者授权的用户才能使用。,5.1.2,文件的分类,按文件保护类型分：,只读文件,容许文件主和核准的用户读，但禁止未核准的用户读。,读写文件,容许文件主和核准的用户读、写，但禁止未核准的用户读、写。,执行文件,允许授权用户调用执行，但不允许对它进行读写。,不保护文件,所有用户都可以存取。,5.1.2,文件的分类,按信息流向分：,输入文件,如读卡机上的文件只能读入。,输出文件,如打印机上的文件只能写出。,输入,/,输出文件,如磁盘上的文件，既可读又可写。,5.1.2,文件的分类,按文件的组织方式分：,普通文件,指组织格式为系统中所规定的最一般格式的文件。可以是系统文件也可以是用户文件等。,目录文件,全部由文件的目录组成的文件。,特别文件,所有的输入、输出设备都被看作特殊文件。用户可以以引用一个文件的方式使用这些设备。,5.1.3,文件的结构,文件的结构,指文件的组织形式，分为逻辑结构和物理结构。,所以文件的组织即是指文件的结构。,5.1.3,文件结构,逻辑结构,：从用户观察和使用文件的角度出发所定义的文件组织形式。,物理结构,：从系统的角度考察文件在实际存储设备上的存放形式。,5.1.3,文件结构,文件的,逻辑结构,：是从用户观点出发，所观察到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于物理特性，又称为文件组织。,5.1.3,文件结构,可分为两大类：无结构文件（流式文件）和有结构文件（记录式文件）。,5.1.3,文件结构,无结构文件,则指文件内部不再划分记录，它的基本信息单位是字节或字，其长度是所含字节的数量。,5.1.3,文件结构,以下在无记录式文件中表示姓名为,A,的男性员工，出生年月为,1971,年,9,月，工资,77,元，姓名为,B,的女性员工出生年月为,1975,年,6,月，工资为,45.5,元。,相对记录式文件来说，无结构文件无需额外说明，节省存储空间，但要查找信息比较困难,A,男,1971977B,女,1975645.5,5.1.3,文件结构,记录,是一个具有特定意义的信息单位，它由该记录在文件中的逻辑地址,(,相对位置,),与记录名所对应的一组键、属性及其属性值所组成。,5.1.3,文件结构,记录式文件把文件内的信息划分为多个记录，用户以记录为单位来组织信息。,5.1.3,文件结构,物理结构,文件的,物理结构,是指逻辑文件在物理存储空间中存放方法和组织关系。,5.1.3,文件结构,顺序文件,若一个逻辑文件的信息存放在文件存储器上相邻的物理块中，则称该文件为连续文件，这样的结构称为顺序结构。,5.1.3,文件结构,顺序文件,文件名,长度,起始块号,a.c,10,36,36,37,38,45,FDT,文件,b.c,的内容,46,顺序文件,优点：结构简单，在顺序存取时速度较快。,缺点：用户应给出文件的最大长度，为其分配足够的外存空间，对文件中间的部分进行插入和删除操作困难。,5.1.3,文件结构,链接文件,链接结构是一种非连续的存储方式，一个逻辑上连续的文件信息可分散地存放在外存的不连续的若干个物理块中，每个块之间用单向链表链接起来。,5.1.3,文件结构,链接,文件,文件名,长度,起始块号,a.c,10,36,36,50,58,50,58,45,0,FDT,隐式链,链接,文件,文件名,长度,起始块号,a.c,10,36,50,47,58,45,FAT,表,FDT,36,显式链,链接文件,优点：克服了连续结构中要求分配给文件若干连续物理块的缺点，使用灵活，不必事先给出文件最大长度，只要有空闲的物理块，临时在需要时增加长度即可。,缺点：只适于顺序存取，为了找到后面的信息，必须从头开始，逐一查找每块的链接字，速度慢。每块增加了一个链接指针，为信息管理添加了复杂性。,5.1.3,文件结构,索引文件,系统为每个文件建立一张索引表，其中每个表目指出文件逻辑块所在的物理块号。,5.1.3,文件结构,索引文件,文件名,长度,起始块号,a.C,10,36,8,85,90,0,40,1,48,36,块,9,92,10,95,90,块,FDT,索引文件,优点：文件占有块可不连续，块数可变，便于随机存取文件中的任意记录。,缺点：索引表增加了空间的开销。在存取文件时首先需要到外存取得索引表，才能查表，获得物理块号，这样至少增加了一次访问外存的操作，降低了文件访问速度。,5.1.3,文件结构,5.1.3,文件结构与文件,阅读,P166,例,5.2,和例,5.3,。,5.1.4,文件的存取方式,存取方式,文件存取方式是指用户的逻辑上对记录进行读写的方法，通常有顺序存取、随机存取、按键存取。,顺序存取,按照文件记录的逻辑地址依次存取。可以理解为按照记录的排列顺序依次进行。,5.1.4,文件的存取方式,随机存取,按照文件记录的编号直接对该记录进行存取，可把读写指针移动到该记录处进行读写。,5.1.4,文件的存取方式,按键存取,根据给定记录的键进行存取，如针对多重结构或转置结构。,注：键的搜索方法：线性搜索法、二分法、散列法等。,5.1.4,文件的存取方式,5.1.5,文件结构与文件存取方式的联系,文件的存储设备,1,）顺序存取设备,前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续的物理块的内容，存取速度较慢，主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或用于传递数据的介质，如磁带。,文件的存储设备,2,）直接存取设备,又叫随机存取存储设备，设备允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块，如磁盘、光盘。,5.1.5,文件结构与文件存取方式的联系,5.1.5,文件结构与文件存取方式的联系,存储介质,物理结构,存取方式,磁带,顺序,顺序,磁盘,顺序,顺序、随机,链接,顺序,索引,顺序、随机,文件系统提供的两类接口,Shell,命令接口,程序级接口,5.1.6,文件操作,常见程序接口命令,CREATE,DELETE,OPEN,CLOSE,READ,5.1.6,文件操作,常见程序接口命令,WRITE,SEEK,GET ATTRIBUTES,SET ATTRIBUTES,5.1.6,文件操作,阅读,P155,例,5.1,5.1.6,文件操作,5.2,文件目录,5.2.1,目录内容,5.2.2,目录结构,5.2,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和控制的信息。,5.2.1,目录内容,文件系统将文件的说明信息集中起来，以一个数据结构的形式表示。,其中的信息主要包括：文件名、文件类型、文件大小、起始地址、建立日期、修改日期、文件主等。,参阅,P156,表,5-2,。,5.2.2,目录结构,单级目录结构,单级目录在整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个表项，表项中包含文件名、文件物理地址以及文件说明等。每当要建立一个文件时，先从目录表中找到一空白表项，再填入新建文件的文件名及其他说明信息；删除该文件时，清除该目录项,。,5.2.2,目录结构,单级目录结构,优点：单级目录在实现上比较容易。,缺点：,1,、大容量外部存储器上可存放成千上万个文件，在目录中查询一个文件目录项就会花费较长时间，从而影响系统的效率。,（,2,）文件名与文件必须一一对应，时常会出现文件重名现象。这样对多用户系统尤为不便。,5.2.2,目录结构,二级目录结构,二级目录结构把目录分成主目录（,MFD,）和用户文件目录（,UFD,）两级。主目录由用户名和用户文件目录首地址组成。每个用户单独建立一个目录，各用户目录登记其下属文件的目录项。,5.2.2,目录结构,二级目录结构,5.2.2,目录结构,多级目录结构,多级目录结构由根目录和各级目录组成，在较高的目录级，其目录项包含了下一级目录名和一个指向该目录的指针。在最后一级目录中，这个指针指向数据文件的物理位置。,5.2.2,目录结构,多级目录结构,5.2.2,目录结构,一种实现多级目录的方法把所有文件目录的内容分成两部分：一部分包括文件的结构信息、物理块号，存取控制和管理信息等，并由系统赋予唯一的内部标识符来标识；另一部分则由用户给出的符号名和系统赋给文件说明信息的内部标识符组成。这两部分分别称为符号文件目录表,(SFD),和基本文件目录表,(BFD),。,SFD,中存放文件名和文件内部标识符，,BFD,中存放除了文件名之外的文件说明信息和文件的内部标识符。,5.2.2,目录结构,多级目录结构,多级目录结构的优点是不同用户的文件、不同性质的的文件可以构成不同的子树，便于管理。系统或用户还可以规定不同层次、不同子树文件有不同的存取权限，以更好地对文件加以保护。,5.2.3,目录检索技术,通过用户提供的文件名对目录进行检索，找出该文件的物理位置。,顺序检索法,Hash,检索法,顺序检索法,又叫线性检索法，沿指定路径对每一级分量名对应的目录文件进行检索。,5.2.3,目录检索技术,Hash,检索法,系统提供,Hash,函数，以文件名转换为一个索引值，再利用该索引值在文件目录中找到对应目录项，从而找到文件的物理位置。,5.2.3,目录检索技术,创建目录,删除目录,打开目录,关闭目录,读目录,改目录名,链接其他用户的文件,删除链接目录项,5.2.4,目录操作,5.3.1,文件的实现,5.3.2,目录的实现,5.3.3,文件共享的实现,5.3.4,磁盘空间管理,5.3.5,文件系统的一致性,5.3,文件系统的实现,关键问题是记录各个文件分别存储在磁盘的哪些块中，即涉及到文件的物理结构。主要有以下三种结构：,1,、顺序文件,2,、链接文件,3,、索引文件,在前一节已经讲述，这里从略。,5.3.1,文件的实现,5.3.2,目录的实现,一、,MS-DOS,中的目录：,8,3,1,10,2,2,2,4,文件名,扩展名,属性,保留,时间,日期,首块,长度,字节,5.3.2,目录的实现,二、,UNIX,中的目录：,2,14,i-node,号,文件名,字节,5.3.2,目录的实现,二、,UNIX,中的目录：,一、基于路径名的共享方式,系统允许用户按路径名直接访问别人的文件，系统主要进行访问者的存取权限检查。,特点：实现简单，访问速度慢。,5.3.3,文件共享的实现,二、基于索引结点的共享方式,将文件的,i-node,指向其它文件的物理块号。,特点：速度快，难以实现对文件的删除。,5.3.3,文件共享的实现,5.3.3,文件共享的实现,三、基于符号链接的共享方式,建立一种特殊文件，其内容是被共享文件或目录的路径名。（如,Windows,中的快捷方式）,特点：实现简单，使用方便，对文件删除没有影响；空间和时间开销比较大。,5.3.3,文件共享的实现,5.3.4,磁盘空间管理,磁盘空间管理主要解决两个问题，一是如何记录空闲块，二是如何分配与回收的问题。,一、文件存储单位,通常用簇做为分配的基本单位，一个簇包含若干个块,(,扇区,),。,如：,Windows,的,FAT32,系统一簇对应,8,个逻辑相邻的扇区，理论上，这种用法所能管理的逻辑盘容量上限为,16TB(16384GB),，依此类推。而,NTFS,当分区空间大于,2GB,的时候，无论硬盘有多大，簇的大小一律维持在,4KB,。,5.3.4,磁盘空间管理,二、分配数据结构,连续分配：只需记录第一个簇的位置，文件长度。,链式分配：记录第一个簇的位置，在每个簇中有指向下一个簇的指针。,索引分配：文件的第一个簇用作索引表，用来记录其他簇的位置。,5.3.4,磁盘空间管理,空闲文件目录,把文件存储设备中的空闲块的块号统一放在一个称为空闲文件目录的物理块中。其中空闲文件目录的每个表项对应一个由多个空闲块构成的空闲区，它包括空闲块个数，空闲块号和第一个空闲块号等。,5.3.4,磁盘空间管理,空闲块链,空闲块链把文件存储设备上的所有空闲块链接在一起，当申请者需要空闲块时，分配程序从链头开始摘取所需要的空闲块，然后调整链首指针。反之，当回收空闲块时，把释放的空闲块逐个插入链尾上。,5.3.4,磁盘空间管理,空闲块链,成组链法首先把文件存储设备中的所有空闲块按50块划分为一组。组的划分为从后往前顺次划分。其中，每组的第一块用来存放前一组中各块的块号和总块数。由于第一组的前面已无其它组存在，因此，第一组的块数为49块。不过，由于存储设备的空间块不一定正好是50的整倍数，因而最后一组将不足50块，且由于该组后面已无另外的空闲块组，所以，该组的物理块号与总块数只能放在管理文件存储设备用的文件资源表中。,5.3.4,磁盘空间管理,5.3.4,磁盘空间管理,5.3.4,磁盘空间管理,位示图,位示图是利用二进制的一位来表示文件存储空间中的一个物理块的使用情况，当其值为,0,时，表示对应物理块为空闲；为,1,时表示已分配。,5.3.4,磁盘空间管理,阅读,P176,例,5.5,5.3.4,磁盘空间管理,三、磁盘配额,管理员分给每个用户拥有文件和块的最大数量，操作系统确保每个用户不超过分给自己的配额。,5.3.4,磁盘空间管理,课后作业：请用简单易懂的方式介绍,Windows,的,FAT32,和,NTFS,对磁盘空间的管理及对文件的空间管理原理，并简介,FAT32,与,NTFS,有何区别？并制作成,PPT,在班上进行交流讲解。,5.3.4,磁盘空间管理,如果在修改过的磁盘块全部写回之前，系统崩溃，则文件系统有可能会处于不一致状态。,5.3.5,文件系统的一致性,一、磁盘块的一致性检查,构造一张表，为每个块设立两个计数器。,5.3.5,文件系统的一致性,5.3.5,文件系统的一致性,1,、文件系统一致。,磁盘块号,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,数据块计数器,1,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,空闲块计数器,0,0,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,正常，不必修复,5.3.5,文件系统的一致性,2,、空闲块丢失。,磁盘块号,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,数据块计数器,1,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,空闲块计数器,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,加到空闲块链或位示图,5.3.5,文件系统的一致性,3,、空闲块重复。,磁盘块号,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,数据块计数器,1,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,空闲块计数器,0,0,1,0,2,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,重建空闲块链表,5.3.5,文件系统的一致性,4,、数据块重复。,磁盘块号,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,数据块计数器,1,1,0,1,0,2,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,空闲块计数器,0,0,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,0,1,1,将该块内容复制到另一个空闲块中，然后将这一新块插入到其中一个文件中,5.3.5,文件系统的一致性,5,、两类块重复。,磁盘块号,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,数据块计数器,1,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,0,0,空闲块计数器,0,0,1,0,1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,将该块从空闲块链中移走,5.4,文件使用,5.4.1,文件访问,5.4.2,文件控制,5.4.3,目录管理,5.4.4,伪文件,5.4.1,文件访问,指围绕文件内容读写进行的操作,1,、打开,2,、关闭,3,、复制文件句柄,4,、读、写,5,、执行,6,、修改访问模式,5.4.2,文件控制,指围绕文件属性控制进行的操作,1,、创建,2,、删除,3,、获取文件属性,4,、修改文件名,5,、修改文件属主、修改访问权限,6,、文件别名控制,5.4.3,目录管理,指目录访问和目录属性控制,1,、更新目录内容,2,、目录创建、删除、修改目录名,3,、修改当前目录,5.4.4,伪文件,指具有文件某些特征的系统资源或设备，它们的访问和控制方式与文件类似。伪文件的内容并不在外存上，而是在其他外部设备上或内存中。,5.4.4,伪文件,伪文件有以下两种类型：,1,、设备，如终端、硬盘、内存等；,2,、进程间通信设备：如管道、套接字。,5.4.4,伪文件,阅读,P132,例,5.4,5.5,安全与完整性,5.5.1,文件的访问权限,5.5.2,文件的并发访问,5.5.3,文件的存取控制,5.5.4,文件的完整性,5.5,安全与完整性,一个文件系统不仅要提供文件共享的方法，而且要对共享进行限制。因为文件的共享可能导致文件的被破坏或未经核准的用户,盗用,文件。造成这种局面的原因是未经文件主（文件拥有者）授权的擅自存取，以及某些用户（包括文件主本身）对文件的误操作。,5.5,安全与完整性,要防止上述情况出现，文件系统必须控制用户对文件的存取，即解决对文件的读、写、执行的许可权问题。为此，在文件系统中应建立文件的保护和保密机构。,5.5,安全与完整性,文件系统的存取控制部分应完成：,1),防止未经核准的用户存取文件；,2),防止一个用户冒充另一个用户存取文件；,3),防止被核准的用户（包括文件主）误用文件，有意或无意地破坏文件。,5.5,安全与完整性,这些功能是由操作系统中一组称为存取控制验证模块程序提供的。它们分三步验证用户的存取操作：,1),审定用户的存取权限；,2),比较用户的权限与本次存取要求是否一致；,3),一个文件的保密性体现在它的文件说明中的存取控制信息。存取控制验证模块还需将存取要求和被访问的保密性比较，看是否冲突。,5.5.1,文件的访问权限,文件访问类型：,1,、读,2,、写,3,、执行,4,、删除,5,、修改访问权限,5.5.1,文件的访问权限,用户范围类型,指定范围,(,指定用户）,用户组,任意用户,5.5.2,文件的并发访问,文件并发访问控制的目的是提供多个进程并发访问同一文件的机制。,1,、访问之前，先打开文件，保证文件一致性。,2,、文件锁定：协调互斥访问,3,、利用进程通信协调访问,5.5.3,文件的存取控制,1,、访问控制矩阵,存取控制矩阵方式以一个二维矩阵来进行存取控制。二维矩阵的一维是所有的用户，另一维是所有的文件，对应的矩阵元素则是用户对文件的存取控制权。,5.5.3,文件的存取控制,1,、访问控制矩阵,5.5.3,文件的存取控制,2,、存取控制表,存取控制表以文件为单位，把用户按某种关系画分为若干组，同时规定每组的存取权限。这样，所有用户组对文件权限的集合就形成了该文件的存取控制表。,5.5.3,文件的存取控制,2,、存取控制表,5.5.3,文件的存取控制,3,、用户存取权限表,用户存取权限表是以用户或用户组为单位建立的存取控制表。把所有的用户的用户权限表存放在一个特定的带有存储键保护的存储区中，只有负责存取合法性检查的程序才能存取这个权限表，从而达到对该表的有效保护。当用户对文件提出存取要求时，系统通过查找相应的用户存取权限表，判断它的存取要求是否合法。,5.5.3,文件的存取控制,4,、口令核对法,用户在建立文件时，同时提供一个口令，当用户请求访问某个文件时，必须提供该文件的口令，系统把它和存放在相应目录项中的口令加以核对，如果不匹配，则拒绝访问。,5.5.3,文件的存取控制,5,、,密码技术,密码技术的基本思想是伪装信息，使未授权者不能解释它的真实含义，而授权者却能得到原本信息。,文件加密在加密密钥的控制下进行。把文件加密成密文的形式再存储到介质中。只有合法用户才能利用解密密钥进行解密，还原出明文文件。,5.5.4,文件的完整性,系统中不论是硬件还是软件均有可能遭到意想不到的破坏，这些损害可能危及文件系统。为了尽量减少在系统发生故障时文件信息破坏，最简便的措施是为重要的文件进行转储，当系统出现故障，就可以装入转储的文件来恢复文件系统。,5.5.4,文件的完整性,常用的两种转储方法。,(1),全量转储：把文件存储器中的全部文件定期（如每周、每天）复制到磁带上。,(2),增量转储：可每隔一定时间，把上次转储以来修改过的文件和新增加的文件转储到磁带上，即,增量转储,。,