1、文件和文件系統(tǒng)
文件管理：把所管理的程序和數(shù)據(jù)組織成一系列的文件，并能進(jìn)行合理的存儲(chǔ)、使用等操作。
1）基本概念
數(shù)據(jù)項(xiàng)：描述對(duì)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(xiàng)集合，描述對(duì)象某方面的屬性；
關(guān)鍵字：一個(gè)記錄中的一個(gè)或幾個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的集合，用于唯一的標(biāo)識(shí)一個(gè)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(wú)結(jié)構(gòu)：字符流的形式
屬性：類型、長(zhǎng)度、物理位置、創(chuàng)建時(shí)間
2）文件類型
不同的系統(tǒng)對(duì)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(kù)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(xiě)
u按組織和處理方式：普通文件、目錄文件、特殊（設(shè)備）文件
2、文件的邏輯結(jié)構(gòu)
文件結(jié)構(gòu)：
文件的邏輯結(jié)構(gòu)file logical structure：按用戶觀點(diǎn)如何組織數(shù)據(jù)；又稱文件組織file organization
基本要求：檢索速度高、方便修改、降低存儲(chǔ)空間費(fèi)用（不連續(xù)）
文件的物理結(jié)構(gòu)：根據(jù)外存上的物理塊的分配機(jī)制，記錄文件外存的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。用戶感知不到的。
1）文件邏輯結(jié)構(gòu)的類型
有結(jié)構(gòu)文件（記錄式）
①定長(zhǎng)記錄
②變長(zhǎng)記錄
如何組織記錄：
順序文件。系統(tǒng)需按該類型記錄“長(zhǎng)度”，通常定長(zhǎng)。
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(gè)記錄位置。
無(wú)結(jié)構(gòu)文件（字符流式）
字節(jié)為單位，利用讀寫(xiě)指針依次訪問(wèn)。
系統(tǒng)對(duì)該類文件不需格式處理。
①順序文件
兩種記錄排列方式
串結(jié)構(gòu)：按記錄形成的時(shí)間順序串行排序。記錄順序與關(guān)鍵字無(wú)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(zhǎng)的計(jì)算相對(duì)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
定長(zhǎng)：結(jié)合折半查找算法等提高檢索速度
變長(zhǎng)：從第1個(gè)記錄開(kāi)始順序掃描，直到掃描到要檢索的關(guān)鍵字標(biāo)識(shí)的記錄（例如：數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)的基于文件名排序的目錄檢索）
順序文件的優(yōu)缺點(diǎn)：
不方便隨機(jī)存取某條記錄，但適用批量存取的場(chǎng)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(gè)事務(wù)文件中，在某段時(shí)間間隔后再與原文件合并更新）。
②索引文件
為了方便單個(gè)記錄的隨機(jī)存取，為文件建立一個(gè)索引表，記錄每項(xiàng)記錄在文件的邏輯地址及記錄長(zhǎng)度；該索引表按關(guān)鍵字排序，。
索引表內(nèi)容：
索引號(hào)、長(zhǎng)度、記錄地址指針
檢索效率
索引表本身即是個(gè)按記錄鍵排序的定長(zhǎng)順序文件，所以能利用算法提高索引表檢索速度
一個(gè)索引文件可以有多個(gè)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(gè)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(diǎn)
適用于變長(zhǎng)記錄，可提高檢索速度，實(shí)現(xiàn)直接存取
索引表增加了存儲(chǔ)開(kāi)銷
③索引順序文件
既要方便，又要降低開(kāi)銷
本方式是最常見(jiàn)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(gè)表項(xiàng)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(guò)程：
先計(jì)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(jí)索引，進(jìn)一步提高檢索效率。
3、外存分配方式
目標(biāo)：有效利用外存空間，提高文件訪問(wèn)速度
常用三種方式：
連續(xù)分配；鏈接分配（不連續(xù)）；索引分配
通常一個(gè)系統(tǒng)中僅采用一種方式
采用的磁盤(pán)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。
缺點(diǎn)：會(huì)產(chǎn)生外存碎片?？删o湊法彌補(bǔ)，但需要額外的空間，和內(nèi)存緊湊相比更花時(shí)間。
創(chuàng)建文件時(shí)要給出文件大小；存儲(chǔ)空間利用率不高，不利于文件的動(dòng)態(tài)增加和修改；
適用于變化不大順序訪問(wèn)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(duì)換區(qū)
2）鏈接分配
可以為每一個(gè)文件分配一組不相鄰的盤(pán)塊。
設(shè)置鏈接指針，將同屬于一個(gè)文件的多個(gè)離散盤(pán)塊鏈接成一個(gè)鏈表，這樣形成的文件稱為鏈接文件。會(huì)有鏈接成本。
優(yōu)點(diǎn)：離散分配，消除外部碎片，提高利用率；同時(shí)適用于文件的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)；修改容易
FAT 與 NTFS技術(shù)
1.FAT12
? 表項(xiàng)12位。能支持的硬盤(pán)容量?jī)H為8M。
2^12(個(gè))*512B*4（分區(qū)數(shù)）=2^23B=8M
磁盤(pán)容量不斷增大，可將若干盤(pán)塊組為一簇。以簇為單位分配空間
FAT表記錄簇號(hào)，表項(xiàng)數(shù)量減少，一定程度上提高了檢索速度，減少了指針開(kāi)銷，
但該改進(jìn)有限，且會(huì)形成簇內(nèi)碎片。12位的格式對(duì)磁盤(pán)容量仍有很大限制
2.FAT16
增加FAT表的項(xiàng)數(shù)，16位可管理的盤(pán)容量為
2^16*64*512B(一簇含64個(gè)盤(pán)塊)=2048M
若磁盤(pán)容量為8G，則每簇大小達(dá)到128K（8G/2^16）,簇內(nèi)碎片最大會(huì)到128K。浪費(fèi)嚴(yán)重。
3.FAT32
簇不能太大，只能繼續(xù)增加表項(xiàng)位數(shù)，以記錄更多數(shù)量
FAT32規(guī)定每簇4KB(即8個(gè)512B的盤(pán)塊），該格式能管理的單個(gè)最大磁盤(pán)空間為2^32*4KB=2TB。
簇大小合適，空間利用率提高；但分配表的擴(kuò)大使運(yùn)行速度相對(duì)慢了；可支持長(zhǎng)文件名；有最小空間管理限制，卷必須大于512M，單個(gè)文件長(zhǎng)度不能大于4G，不能向下兼容。
4.NTFS
New technology file system
①采用64位磁盤(pán)地址，理論上支持2^64字節(jié)的磁盤(pán)分區(qū)；
②支持長(zhǎng)文件名；
③系統(tǒng)糾容錯(cuò)功能
④提供數(shù)據(jù)一致性、文件加密、壓縮等功能
磁盤(pán)組織
以簇為單位分配回收、但不規(guī)定盤(pán)塊大小
磁盤(pán)格式化時(shí)確定卷的簇大?。ㄎ锢泶疟P(pán)扇區(qū)的整數(shù)倍），512M以內(nèi)的小磁盤(pán)默認(rèn)簇大小為512B，1G的默認(rèn)大小為1KB。。。大多數(shù)情況是4KB
卷上簇編號(hào)為L(zhǎng)CN，用戶用到的簇順序編成用戶虛擬簇號(hào)VCN，NTFS可進(jìn)行VCN到LCN的映射
文件組織
以卷為單位，將卷的所有文件信息、目錄信息、可用未分配空間記錄在主控文件表MFT中。
每個(gè)文件的信息對(duì)應(yīng)一行，固定大小1KB，稱為元數(shù)據(jù)
文件屬性信息、文件數(shù)據(jù)較少時(shí)就直接寫(xiě)在MFT中；較多超出1KB時(shí)，記錄存放這些信息的簇地址指針。
兼容性上也有不足
3）索引分配
鏈接的不足
順序檢索的時(shí)間成本：不能支持高效的盤(pán)塊直接存取。要對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行直接存取，仍需在FAT中順序的查找許多盤(pán)塊號(hào)。
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(pán)容量較大時(shí)，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(shí)只涉及部分文件，F(xiàn)AT表無(wú)需全部調(diào)入內(nèi)存
每個(gè)文件單獨(dú)建索引表（物理盤(pán)塊索引），記錄所有分配給它的盤(pán)塊號(hào)；
建立文件時(shí)，便分配一定的外存空間用于存放文件盤(pán)塊索引表信息；
多級(jí)索引下的文件大小
若兩級(jí)索引，盤(pán)塊1KB，盤(pán)塊號(hào)占4字節(jié)
一個(gè)盤(pán)塊可存放的盤(pán)塊號(hào)數(shù)有多少個(gè)
1KB/4B= 2^10/4 = 2^8 =256（個(gè)）
二級(jí)索引下的文件可分配的最大盤(pán)塊數(shù)
256* 256 =2^6×2^10=64 K（個(gè)）
文件最大長(zhǎng)度為 64K（個(gè)）*1KB=64MB
若盤(pán)塊大小為4KB，單級(jí)索引允許文件最大長(zhǎng)度為4MB（4K/4*4KB），二級(jí)索引則文件最大可達(dá)4GB（1K*1K*4KB）。
③混合組織索引（增量式索引組織方式）
多種索引方式相結(jié)合，以UNIX system V的索引結(jié)點(diǎn)為例：
一個(gè)索引結(jié)點(diǎn)定義為13個(gè)地址項(xiàng)：iaddr（0）~iaddr（12），總的來(lái)說(shuō)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(pán)塊號(hào)；
iaddr（10）存放單級(jí)索引的索引盤(pán)塊號(hào)；
剩余的用于文件較大時(shí)存放多級(jí)索引數(shù)據(jù)。
iaddr（11）存放二級(jí)索引的主索引盤(pán)塊號(hào)
iaddr（12）存放三級(jí)索引的主索引盤(pán)塊號(hào)
4、存儲(chǔ)空間的管理
典型的管理方法：
1）空閑表和空閑鏈表法
2）位示圖法
3）成組鏈接法
②存儲(chǔ)空間的分配與回收操作
與內(nèi)存的動(dòng)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(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)修改。
應(yīng)該說(shuō)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(wèn)磁盤(pán)的I/O頻率，故它在諸多分配方式中仍占有一席之地。（如實(shí)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(pán)區(qū)拉成一條空閑鏈。
①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：
o空閑盤(pán)塊鏈
o空閑盤(pán)區(qū)鏈
空閑盤(pán)塊鏈
將磁盤(pán)上的所有空閑空間，以盤(pán)塊為單位拉成一條鏈。
因創(chuàng)建文件而請(qǐng)求分配空間時(shí)，系統(tǒng)從鏈?zhǔn)滓来握逻m當(dāng)數(shù)目的空閑盤(pán)塊分配給用戶。
因刪除文件而釋放存儲(chǔ)空間時(shí)，系統(tǒng)將回收的盤(pán)塊依次插入空閑盤(pán)塊鏈的末尾。
優(yōu)點(diǎn)：分配和回收一個(gè)盤(pán)塊的過(guò)程非常簡(jiǎn)單，但為一個(gè)文件分配盤(pán)塊時(shí)，可能要重復(fù)操作多次。
空閑盤(pán)區(qū)鏈
將所有空閑盤(pán)區(qū)拉成一條鏈。每個(gè)盤(pán)區(qū)上含有：
? 指示下一空閑盤(pán)區(qū)的指針、本盤(pán)區(qū)大小等信息
分配通常采用首次適應(yīng)算法?；厥毡P(pán)區(qū)時(shí)，將回收區(qū)與相鄰的空閑盤(pán)區(qū)相合并。
為提高檢索速度，可以采用顯式方法，為空閑盤(pán)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
2）位示圖法——位示圖
利用二進(jìn)制的一位來(lái)表示一個(gè)盤(pán)塊的使用情況。
值為0表示對(duì)應(yīng)的盤(pán)塊空閑，為1表示已分配。有的系統(tǒng)則相反。
磁盤(pán)上的所有盤(pán)塊都有一個(gè)二進(jìn)制位與之對(duì)應(yīng)，這樣由所有盤(pán)塊所對(duì)應(yīng)的位構(gòu)成一個(gè)集合，稱為位示圖。
總塊數(shù)=m*n?？捎胢*n個(gè)位數(shù)來(lái)構(gòu)成位示圖，可看成是二維數(shù)組（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。
盤(pán)塊的分配與回收
根據(jù)位示圖進(jìn)行盤(pán)塊分配：
1)順序掃描位示圖。找到為0的二進(jìn)制位。
2)將所找到的一個(gè)或一組二進(jìn)制位，轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的盤(pán)塊號(hào)。進(jìn)行分配操作。
盤(pán)塊號(hào)計(jì)算公式為：盤(pán)塊號(hào)=列總數(shù)*（i-1）+ j;
（注意下標(biāo)i，j從1開(kāi)始）
3)修改位示圖。
根據(jù)位示圖進(jìn)行盤(pán)塊回收：
1)將回收盤(pán)塊的盤(pán)塊號(hào)轉(zhuǎn)換成位示圖中的行號(hào)和列號(hào)。轉(zhuǎn)換公式為：i=(盤(pán)塊號(hào)-1)div列+1；j=(盤(pán)塊號(hào)-1)mod列數(shù)+1
Div 求商，mod 取余，公式中的i、j都是從1開(kāi)始的（如12號(hào)盤(pán)塊轉(zhuǎn)換后為1，12）
2)修改位示圖。
優(yōu)點(diǎn)：從位示圖中很容易找到一個(gè)或一組相鄰接的空閑盤(pán)塊。
但限于容量問(wèn)題，常用于微型機(jī)和小型機(jī)中。
3）成組鏈接法
大型文件系統(tǒng)，空閑表或空閑鏈表太長(zhǎng)不方便管理操作。
UNIX系統(tǒng)中采用成組鏈接法，這是將兩種方法結(jié)合而形成的一種空閑盤(pán)塊管理方法。
中心思想：
所有盤(pán)塊按規(guī)定大小劃分為組；
組間建立鏈接；
組內(nèi)的盤(pán)塊借助一個(gè)系統(tǒng)?？煽焖偬幚?，且支持離散分配回收。
