1.文件、文件系統(tǒng)

1 ）基本概念

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

2）文件類型

按用途：系統(tǒng)、用戶、庫文件

按數(shù)據(jù)形式：源文件、目標文件、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

3)文件系統(tǒng)模型

4）文件操作

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)隨機存取（尤其適用于記錄文件）

還需要：“打開”與“關(guān)閉”：

文件讀/寫操作 = 檢索 + 讀/寫。

每次讀寫前都要重復(fù)檢索增大開銷。所以為了方便對同一文件的多次讀寫，一次檢索到文件后就在內(nèi)存中記錄其位置，避免重復(fù)檢索。被記錄下位置的文件就是“打開”文件；

不需要再操作文件時，通過“關(guān)閉”這個系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉文件——即從打開文件表上刪除其路徑信息即可。

其他操作：改名、改所屬用戶、改訪問權(quán)限等屬性的操作。

2.文件的邏輯結(jié)構(gòu)

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。

（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

優(yōu)缺點：

不方便隨機存取某條記錄，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）。

（2）索引文件

為了方便單個記錄的隨機存取，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

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

（3）索引順序文件

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，進一步提高檢索效率。

（4）直接文件

給定鍵值（如學(xué)號）不需順序檢索直接得到記錄的物理地址

3.外存分配方式

目標：有效利用外存空間，提高文件訪問速度

常用三種方式：連續(xù)分配、鏈接分配（不連續(xù)）、索引分配

通常一個系統(tǒng)中僅采用一種方式

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。

1)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，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)

2）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

（1）隱式鏈接

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

（2）顯式鏈接

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。

（3）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：

系統(tǒng)運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；

①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。

②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。

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

4.存儲空間的管理

1）空閑表和空閑鏈表法

（1）空閑表法

常用于連續(xù)分配管理方式

（2）空閑鏈表法

①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)從鏈首依次摘下適當數(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。

②空閑盤區(qū)鏈

將所有空閑盤區(qū)拉成一條鏈。每個盤區(qū)上含有：

指示下一空閑盤區(qū)的指針、本盤區(qū)大小等信息

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、回收操作涉及的鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的處理方便

2）位示圖法

利用二進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：

（1）根據(jù)位示圖進行盤塊分配：

順序掃描位示圖。找到為0的二進制位。

將所找到的一個或一組二進制位，轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的盤塊號。進行分配操作。

盤塊號計算公式為：盤塊號 = 列總數(shù)*（i-1）+ j;

（注意下標i，j從1開始）

修改位示圖。

（2）根據(jù)位示圖進行盤塊回收：

將回收盤塊的盤塊號轉(zhuǎn)換成位示圖中的行號和列號。轉(zhuǎn)換公式為：i=(盤塊號-1)div列數(shù)+1；j=(盤塊號-1)mod列數(shù)+1

Div 求商，mod 取余，公式中的i、j都是從1開始的

（如12號盤塊轉(zhuǎn)換后為1，12）

修改位示圖。

3）成組鏈接法

大型文件系統(tǒng)，空閑表或空閑鏈表太長不方便管理操作。

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塊管理方法。

中心思想：

? ? 所有盤塊按規(guī)定大小劃分為組；

? ? 組間建立鏈接；

? ? 組內(nèi)的盤塊借助一個系統(tǒng)棧可快速處理，且支持離散分配回收。

鏈表長度上限固定。

組內(nèi)的盤塊借助一個系統(tǒng)棧可快速處理，且分配回收比較簡單。

支持離散分配回收。