目錄
文件控制塊---FCB
為了能對一個文件進(jìn)行正確的存取，必須為文件設(shè)置用于描述和控制文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，稱之為文件控制塊FCB
文件與文件控制塊一一對應(yīng)
記錄文件名及其存放地址、文件的說明和控制信息
文件管理程序結(jié)組于文件控制塊中的信息對文件施以各種操作
把文件控制塊的有序幾何成為文件目錄。
即一個文件控制塊就是一個目錄項，通常一個文件目錄也被看作是一個文件，稱為目錄文件。
目錄管理
對文件實施有效的管理。必須對他們加以妥善組織，主要是兩大操作。
基本信息記錄FCB、目錄項
方便檢索、管理
目錄管理要求
實現(xiàn)安明存取
提高對目錄的檢索速度
文件共享
允許文件重名。
FCB內(nèi)容
在文件控制塊中，通常含有以下三類信息。
基本信息類
包括文件名。文件物理位置，文件邏輯結(jié)構(gòu)，文件的物理結(jié)構(gòu)。
存取控制信息類
包括文件主的存取權(quán)限，核準(zhǔn)用戶的存取權(quán)限和一般用戶的存取權(quán)限。
使用信息類
建立日期和時間、文件上次修改的日期和時間
當(dāng)前使用信息：打開該文件的進(jìn)程數(shù)、是否唄進(jìn)程鎖住。是否已修改等。
MS-DOS的文件控制塊
關(guān)于文件檢索的速度
文件FCB組成的目錄文件存放于磁盤，需要時要從磁盤將目錄內(nèi)容調(diào)入內(nèi)存進(jìn)行檢索使用。
如果目錄占用5個盤塊，則至多需啟動5次磁盤讀寫。
索引節(jié)點
引入
文件目錄占大量的盤塊，需要進(jìn)行的磁盤讀寫開銷越大減少實際檢索的i洗腦洗量就減少以哦對那個磁頭的開銷。提高速度
目錄一般時按名檢索。而直接找到正確文件前，只關(guān)心文件名，不需要其他的文件描述信息。目錄中這部分內(nèi)容的調(diào)入不是必須的
所以將文件名、文件具體信息分開，使文件描述信息單獨形成一個索引結(jié)點。
索引節(jié)點從外存到內(nèi)存的過程中有不同的形式：
磁盤索引結(jié)點
存放磁盤上的索引節(jié)點。主要包括：文件主標(biāo)識符。文件類型、文件存取權(quán)限、文件物理地址。文件長度、文件連接計數(shù)，文件存取時間。
內(nèi)存索引結(jié)點
文件被打開后。將磁盤索引結(jié)點拷貝到內(nèi)存索引結(jié)點中以便使用，比磁盤索引結(jié)點增加了一下內(nèi)容：索引結(jié)點編號、狀態(tài)、訪問計數(shù)、文件所屬文件系統(tǒng)的邏輯設(shè)備號、鏈接指針。
目錄結(jié)構(gòu)
目錄結(jié)構(gòu)的組織、關(guān)系到文件系統(tǒng)的存取速度、也關(guān)系到文件的共享性和安全性。
組織好文件的目錄。使設(shè)計好文件系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。
單極目錄結(jié)構(gòu)
最簡單的目錄結(jié)構(gòu)
整個文件系統(tǒng)中只建立一張目錄表,每個文件一個目錄項，含有文件相關(guān)信息。
每建立一個新文件：
先檢索所有目錄項，保證文件名唯一。
獲得一個空白目錄項。填入相關(guān)信息。修改狀態(tài)位
刪除一個文件：
找到對應(yīng)目錄項。回收文件所占用空間，刪除目錄項。
優(yōu)點：簡單、能實現(xiàn)目錄管理的基本功能-按名存取
缺點：
文件檢索時需要搜遍整個目錄文件，范圍大速度滿，
不允許重名，名字過多難于記憶，對于多用戶環(huán)境重名難以避免，
不敗你于實現(xiàn)文件共享，一般只適用于單機(jī)環(huán)境
兩級目錄結(jié)構(gòu)
為每一個用戶建立一個單獨的用戶文件目 錄UFD，UFD由用戶所有文件的文件控制 塊組成。
系統(tǒng)建立一個主文件目錄MFD， MFD中 每個用戶目錄文件都占有一個目錄項，其 中包括用戶名和指向UFD的指針。
兩級目錄的特點
基本克服了單級目錄的缺點，并具有以 下優(yōu)點：
- 提高了檢索目錄的速度。
- 在不同的目錄中可重名。
- 不同用戶還可以使用相同/不同的文件名來 訪問系統(tǒng)中的同一個共享文件。
不提供子目錄操作，還不方便；各用戶 之間被完全隔離的話用戶訪問其他用戶 文件時，不方便合作。
多級目錄結(jié)構(gòu)
適用于較大的文件系統(tǒng)管理。又稱為樹狀目錄 (tree-like)
在文件數(shù)目較多時，便于系統(tǒng)和用戶將文件分散 管理。
層次結(jié)構(gòu)更清晰、提供更靈活的權(quán) 限管理等
但目錄級別太多時也會增加路徑檢 索層次，增加磁盤訪問時間。
目錄查詢技術(shù)
◆用戶要訪問一個已存文件 ?目錄數(shù)據(jù)調(diào)入內(nèi)存；
按名檢索：系統(tǒng)利用提供的文件名對目錄(根據(jù)目錄 層次，需要做的檢索次數(shù)也不同)進(jìn)行查詢 ?
找該文件控制塊 ?
讀FCB或?qū)?yīng)索引結(jié)點； ?
從文件物理地址換算出文件在磁盤上的物理位置； ?
最后通過磁盤驅(qū)動程序，將所需文件讀入內(nèi)存。
◆目錄查詢方式：線性檢索法和Hash方法。
線性檢索法
◆又稱為順序檢索法。
◆單級目錄中 ?用戶提供文件名，順序查找文件目錄。
◆樹型目錄中 ?用戶提供路徑名，如/user/ast/mbox ?
對多級目錄進(jìn)行逐層查找。
文件共享與保護(hù)
索引結(jié)點法
基本FCB法：
名+詳細(xì)信息。
直接在文件目錄中包含文件的物理地址，該方法實現(xiàn) 的共享不適用文件動態(tài)變化。
一個用戶對文件的修改 （如物理塊號增加），對其他用戶不可見，共享文件 的FCB信息記錄同步更新困難。
文件名+索引結(jié)點指針。
一個用戶修改指針指向地址里的內(nèi)容，指針不變，其 他用戶通過指針總能感知索引結(jié)點中的最新內(nèi)容 ?
索引結(jié)點中增加count計數(shù) ?
主人刪除操作問題：
刪，共享用戶訪問錯誤；
不刪，計費問題。
符號鏈法
?創(chuàng)建一個link類型的文件：“文件名+共享文件路徑” （類似快捷方式） ?文件主人刪除文件，共享者只會出現(xiàn)找不到文件錯誤。 不會發(fā)生共享文件刪除后出現(xiàn)懸空指針的情況。
?該方法適用于網(wǎng)絡(luò)文件共享，但根據(jù)路徑檢索共享文 件的目標(biāo)位置增加了訪問開銷，link文件獨占索引結(jié)點 也耗費一定的空間。
無論哪種共享，鏈接就對應(yīng)一個文件，如果遍歷 復(fù)制整個目錄內(nèi)的文件，可能會從多條路徑對共 享文件進(jìn)行多次訪問
磁盤容錯
防止磁盤故障造成的文件不安全
SFT I:磁盤表面故障 ?
雙目錄、雙文件分配表（空間冗余）
寫后讀校驗、熱修復(fù)重定向（時間操作冗余）
寫入磁盤后再讀回內(nèi)存做一致性校驗
熱修復(fù)寫過程：從壞道重定向到專區(qū)并記錄 SFT II：磁盤驅(qū)動器、控制器故障 ?驅(qū)動器故障：磁盤鏡像 ?控制器故障：磁盤雙工——并行控制器，分離搜索加 快讀取
文件管理
文件和文件系統(tǒng)
數(shù)據(jù)項：描述對象某種屬性的字符集；是數(shù)據(jù)組織中 可以命名的最小邏輯數(shù)據(jù)單位。
記錄：一組相關(guān)數(shù)據(jù)項集合，描述對象某方面的屬性；
關(guān)鍵字：一個記錄中的一個或幾個數(shù)據(jù)項的集合，用 于唯一的標(biāo)識一個記錄。
文件：由創(chuàng)建者定義的、具有文件名的一組相關(guān)元素 的集合。
有結(jié)構(gòu)：由相關(guān)記錄組成
無結(jié)構(gòu)：字符流的形式
屬性：類型、長度、物理位置、創(chuàng)建時間
文件類型
不同的系統(tǒng)對文件的管理方式不同
◆大多用擴(kuò)展名標(biāo)志文件類型，按如下幾種 方式分類文件
◆按用途：系統(tǒng)、用戶、庫文件
◆按數(shù)據(jù)形式：源文件、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件
◆按存取控制屬性：只執(zhí)行、只讀、讀寫
◆按組織和處理方式：普通文件、目錄文件、特 殊（設(shè)備）文件 管
理
文件操作
最基本的操作
創(chuàng)建/刪除文件：分空間，形成FCB及目錄 （名，地址）
讀、寫：按名檢索目錄，找到文件地址，開始 讀、寫
設(shè)置文件讀寫位置，實現(xiàn)隨機(jī)存取（尤其適用 于記錄文件）
文件的邏輯結(jié)構(gòu)
文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型
有結(jié)構(gòu)文件（記錄式）
①定長記錄
②變長記錄 如何組織記錄：
?順序文件。系統(tǒng)需按該類型記錄“長度”，通常定長。
?索引文件。系統(tǒng)需為文件建立索引表。
?索引順序文件。建索引表，記錄每組記錄的第一個記錄位置。
無結(jié)構(gòu)文件（字符流式）
字節(jié)為單位，利用讀寫指針依次訪問。 ?
系統(tǒng)對該類文件不需格式處理。
順序文件
兩種記錄排列方式 ?
串結(jié)構(gòu)：按記錄形成的時間順序串行排序。記 錄順序與關(guān)鍵字無關(guān)；
順序結(jié)構(gòu)：按關(guān)鍵字排序。
檢索方法： 從頭檢索，順序查找要找的記錄，定長的計算 相對快。 ?
順序結(jié)構(gòu)，可用折半查找、插值查找、跳步查 找等算法提高效率
順序結(jié)構(gòu)記錄按關(guān)鍵字排序，可按關(guān)鍵字 檢索
順序文件的優(yōu)缺點： ?不方便隨機(jī)存取某條記錄，但適用批量存取的 場合。 ?適合磁帶等特殊介質(zhì)。 ?單記錄的查找、修改等交互性差；增減不方便 （改進(jìn)辦法：把增刪改的記錄登記在一個事務(wù) 文件中，在某段時間間隔后再與原文件合并更 新）。
索引文件
為了方便單個記錄的隨機(jī)存取，為文件建立 一個索引表，記錄每項記錄在文件的邏輯地址及 記錄長度；該索引表按關(guān)鍵字排序，。
◆索引表內(nèi)容： 索引號、長度、記錄地址指針
◆檢索效率 ?索引表本身即是個按記錄鍵排序的定長順序文 件，所以能利用算法提高索引表檢索速度
一個索引文件可以有多個索引表 為方便用戶根據(jù)不同記錄屬性檢索記錄， 為順序文件建立多個索引表，每種能成為檢索 條件的域都配備一張索引表。
◆索引文件的優(yōu)缺點 ?適用于變長記錄，可提高檢索速度，實現(xiàn)直接 存取 ?索引表增加了存儲開銷
索引順序文件
既要方便，又要降低開銷
◆本方式是最常見的一種邏輯文件形式。 ?
將順序文件的所有記錄分組 ?
還是建立索引表，但每個表項記錄的是每組第1條記錄 的鍵值和地址。 ?組內(nèi)記錄仍按順序方式檢索和使用。
◆檢索一條記錄的過程： ?先計算記錄是在第幾組，然后再檢索索引確定組在哪 里后，在組內(nèi)順序查找。
◆可利用多級索引，進(jìn)一步提高檢索效率。
外存分配方式
常用三種方式： 連續(xù)分配 ?鏈接分配（不連續(xù)） ?索引分配
采用的磁盤分配方式?jīng)Q定了文件的“物理結(jié)構(gòu)” ?順序結(jié)構(gòu)；鏈接式結(jié)構(gòu)；索引式結(jié)構(gòu)。 ?注意與邏輯結(jié)構(gòu)名類似但不是一回事。
連續(xù)分配
為每一個文件分配一組相鄰的盤塊。
邏輯文件中的記錄順序與存儲器中文 件占用盤塊的順序一致。
優(yōu)點：順序訪問容易，讀寫速度快
缺點:會產(chǎn)生外存碎片。可緊湊法彌補(bǔ)，但需要額 外的空間，和內(nèi)存緊湊相比更花時間。
創(chuàng)建文件時要給出文件大小；存儲空間利用 率不高，不利于文件的動態(tài)增加和修改；
適用于變化不大順序訪問的文件，在流 行的UNIX系統(tǒng)中仍保留了連續(xù)文件結(jié)構(gòu)。 如對換區(qū)
鏈接分配
可以為每一個文件分配一組不相鄰的盤塊。
設(shè)置鏈接指針，將同屬于一個文件的多個離散盤 塊鏈接成一個鏈表，這樣形成的文件稱為鏈接文 件。會有鏈接成本。
優(yōu)點：
◆離散分配，消除外部碎片，提高利用率
◆同時適用于文件的動態(tài)增長；修改容易
鏈接有兩種形式
隱式鏈接
文件空間信息的目錄項 中沒有鏈接數(shù)據(jù)
◆鏈接信息隱含記錄在盤塊 數(shù)據(jù)中；
◆每個盤塊拿出若干字節(jié)， 記錄指向下一盤塊號的指 針。
◆問題：只能順著盤塊讀取， 可靠性低
顯式鏈接（FAT)
◆記錄盤塊鏈接的 指針顯示地記錄為 一張鏈接表
◆所有已分配的盤 塊號都記錄在其中， 稱文件分配表
◆為了提高文件系 統(tǒng)訪問速度，F(xiàn)AT 一般常駐內(nèi)存
◆屬于一個文件的盤塊通過鏈接 成為一體，每個鏈條的首地址作 為文件地址記錄在相應(yīng)文件的 FCB的“物理地址”字段中
計算
索引分配
鏈接的不足 ?順序檢索的時間成本：不能支持高效的盤塊直接存取。 要對一個文件進(jìn)行直接存取，仍需在FAT中順序的查找 許多盤塊號。
鏈接信息的空間成本：FAT需占用較大的內(nèi)存空間。當(dāng) 磁盤容量較大時，F(xiàn)AT可能要占用數(shù)MB以上的內(nèi)存空 間。這是令人難以忍受的
改進(jìn)： 系統(tǒng)運(yùn)行時只涉及部分文件，F(xiàn)AT表無需全部調(diào)入內(nèi)存 ?
每個文件單獨建索引表（物理盤塊索引），記錄所有分 配給它的盤塊號；
建立文件時，便分配一定的外存空間用于存放文件盤塊 索引表信息；
單級索引分配
◆ 索引形式適合大文件
◆ 中、小型文件，只需若干鏈接即可。若用索引 分配方式，用一個盤塊存放少量索引信息反而 不適用。
多級索引
◆若文件較大，存放索引表也需要多個 盤塊（索引盤塊）。
◆索引盤塊亦需要按順序管理起來 ?若索引盤塊數(shù)量較少用指針鏈接的方式即 可；
若索引盤塊較多，需對索引盤塊也采用索 引方式管理，形成多級索引。
多級索引計算
混合組織索引
多種索引方式相結(jié)合，以UNIX system V的 索引結(jié)點為例： 一個索引結(jié)點定義為13個地址項：
iaddr（0） ~iaddr（12），總的來說分為兩種：直接 地址、間接地址 ?
iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存 文件數(shù)據(jù)的盤塊號； ?
iaddr（10）存放單級索引的索引盤塊號；
剩余的用于文件較大時存放多級索引數(shù)據(jù)。
iaddr（11）存放二級索引的主索引盤塊號
iaddr（12）存放三級索引的主索引盤塊號
存儲空間的管理
空閑表法和空閑鏈表法
空閑表法 ?
常用于連續(xù)分配管理方式
①數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ?
系統(tǒng)為外存上的所有空閑區(qū)建立 一張空閑表 ?每個空閑區(qū)對應(yīng)一個空閑表項 （表項包括序號、空閑區(qū)的第一 個盤塊號、空閑盤塊數(shù)等。） ?
將所有空閑區(qū)按其起始盤塊號遞 增的次序排列，如右圖。
② 存儲空間的分配與回收操作 ? 與內(nèi)存的動態(tài)分配類似，同樣可采用首次適 應(yīng)算法、循環(huán)首次適應(yīng)算法等。 ?
回收主要解決對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)修改。 ?
應(yīng)該說明，雖然很少采用連續(xù)分配方式，然 而在外存的管理中，由于它具有較高的分配 速度，可減少訪問磁盤的I/O頻率，故它在 諸多分配方式中仍占有一席之地。（如實現(xiàn) 虛擬用的部分外存就是連續(xù)分配方式
空閑鏈表法
將所有空閑盤區(qū)拉成一條空閑鏈。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：鏈 根據(jù)構(gòu)成鏈所用基本元素的不同，可 把鏈表分成兩種形式：空閑盤塊鏈 ? 空閑盤區(qū)鏈
空閑盤塊鏈
◆將磁盤上的所有空閑空間，以盤塊為單位拉成一 條鏈。
◆因創(chuàng)建文件而請求分配空間時，系統(tǒng)從鏈?zhǔn)滓来?摘下適當(dāng)數(shù)目的空閑盤塊分配給用戶。
◆因刪除文件而釋放存儲空間時，系統(tǒng)將回收的盤 塊依次插入空閑盤塊鏈的末尾。
◆優(yōu)點：分配和回收一個盤塊的過程非常簡單，但 為一個文件分配盤塊時，可能要重復(fù)操作多次
空閑盤區(qū)鏈
◆分配通常采用首次適應(yīng)算法。回收盤區(qū)時，將回收 區(qū)與相鄰的空閑盤區(qū)相合并。
為提高檢索速度，可以采用顯式方法，為空閑盤區(qū)建立 一張鏈表放在內(nèi)存中。
◆分配、回收操作涉及的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理方便
位示圖法——位示圖
利用二進(jìn)制的一位來表示一個盤塊的使用情況。
值為0表示對應(yīng)的盤塊空閑，為1表示已分配。
有的系 統(tǒng)則相反。
磁盤上的所有盤塊都有一個二進(jìn)制位與之對應(yīng)，這樣 由所有盤塊所對應(yīng)的位構(gòu)成一個集合，稱為位示圖。
◆總塊數(shù)=m*n。可用m*n個位數(shù)來構(gòu)成位示圖，可看成是二維數(shù)組（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。
盤塊的分配與回收
成組鏈接法
