《计算机操作系统》第四版
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7.1 文件和文件系统

7.1.1 文件、记录和数据项

1. 数据项

1. 基本数据项
   用于描述一个对象的某种属性的字符集。最小逻辑单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。命名与其属性一致。如描述学生的基本数据项：学号、姓名等。
2. 组合数据项
   由若干个基本数据项组成，即组项。

基本数据项 = 数据项名+数据类型。如学号/30211

2. 记录

一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性。

3. 文件

由创建者所定义的，具有文件名的一组相关元素的集合，分为有结构文件和无结构文件。

1. 有结构文件：由若干个相关记录组成；
2. 无结构文件：一个字符流
   在文件系统中是一个最大的数据单位，描述一个对象集。
   属性：文件类型、长度、物理位置、建立时间

7.1.2 文件名与类型

1. 文件名和扩展名

扩展名指文件的类型

2. 文件类型

• 按用途分

  系统文件、用户文件、库文件

• 按文件中数据的形式分

  源文件、目标文件、可执行文件

• 按存取控制属性分

  只执行文件、只读文件、读写文件

• 按组织形式和处理方式

  普通文件、目录文件、特殊文件，系统中各类I/O设备，也成为设备文件

7.1.3 文件系统的层次结构

1. 对象及其属性

文件、目录、磁盘（磁带）存储空间

2. 对对象操纵和管理的软件集合（核心）

对文件存储空间的管理、对文件目录的管理、用于将文件的逻辑地址转换为物理地址的机制、对文件读和写的管理，以及对文件的共享与保护等功能。

3. 文件系统的接口

命令接口、程序接口

7.1.4 文件操作

1. 最基本的文件操作

创建、删除、读、写、设置文件读/写位置

2. 文件的“打开”和“关闭”操作

打开：系统将指名文件的属性（包括物理位置）从外存拷贝到内存打开文件表的一个表目中，并将该表目的编号（索引）返回给用户；以后， 当用户再要求对该文件进行相应的操作时，便可利用系统所返回的索引号向系统提出操作请求。系统这时便可直接利用该索引号到打开文件表中去查找，从而避免了对该文件的再次检索。再用户和指定文件之间建立一个连接。

关闭：OS将会把该文件从打开的文件表删除

3. 其它文件操作

有关对文件属性进行操作的、有关目录的等

7.2 文件的逻辑结构

任何一文件都有以下两种结构：

1. 文件的逻辑结构：从用户观点观察到的文件组织形式
2. 文件的物理结构（存储结构）：文件在外存上的存储组织形式

7.2.1 文件逻辑结构

1. 按文件是否有结构分类

1. 有结构文件
   1. 定长记录
   2. 变长记录
2. 无结构文件（流式文件）：源程序、可执行文件等，可看成时记录式文件的特例：一个记录仅有一个字节。

2. 按文件的组织方式分类

1. 顺序文件（按某种方式排序）
2. 索引文件
3. 索引顺序文件（为一组记录中的第一个记录建立索引表项）

7.2.2 顺序文件

1. 排列方式

1. 串结构：按存入时间先后排序
2. 顺序结构：按关键字排序

2. 优缺点

批量操作效率高；单个记录查找效率低，插入删除不方便

可以为顺序文件配置一个运行记录文件(Log File)或称为事务文件(Transaction File)， 把试图增加、 删除或修改的信息记录于其中， 规定每隔一定时间， 例如4小时，将运行记录文件与原来的主文件加以合并， 产生一个按关键字排序的新文件。

7.2.3 记录寻址

为了访问顺序文件中的一条记录，首先要找到记录的地址。

1. 隐式寻址方式

定长和变长不一样，定长更方便。变长需要逐条访问才知道实际地址

2. 显式寻址方式

1、通过文件中记录的位置（定长记录文件可用Ai=i*L实现随机访问，但变长记录文件不可以，须顺序查找每个记录从中获得相应记录的长度Li，才能计算di个记录的首址）；
2、利用关键字

7.2.4 索引文件

1. 按关键字建立索引

2. 具有多个索引表的索引文件

实现随机查找，但不能批量查找，且要记录索引表，占用空间

7.2.5 索引顺序文件

1. 特征

1. 引入文件索引表来实现对索引顺序文件的随机访问
2. 增加溢出文件，用来记录新增加的、删除的和修改的记录

客服变长记录文件的缺点

2. 一级索引顺序文件

3. 两级索引顺序文件

将分类分组，为每一个组建立索引

7.2.6 直接文件和哈希文件

1. 直接文件（概念）

对于直接文件，则可根据给定的记录键值，直接获得指定记录的物理地址。换言之，记录键值本身就决定了记录的物理地址。这种由记录键值到记录物理地址的转换被称为键值转换(Key to address transformation)。组织直接文件的关键， 在于用什么方法进行从记录值到物理地址的转换。计算转换地址的方式为哈希函数时，该文件即为哈希文件。

2. 哈希文件

是直接文件的实现方法之一。目前应用最广泛的一种直接文件。用Hash函数将关键字转换为相应记录的地址。

7.3 目录管理

要求：

1. 实现“按名存取”
2. 提高对目录的检索速度
3. 文件共享
4. 允许文件重名

7.3.1 文件控制块和索引节点

文件控制块FCB用于描述和控制文件的数据结构。文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个文件目录项。

1. 文件控制块FCB

1. 基本信息类
   1. 文件名
   2. 文件物理地址
   3. 逻辑结构
   4. 物理机构

1. 存取控制信息
2. 使用信息类

2. 索引节点

1）索引结点的引入

【文件名 | （指向该文件所对应的i结点的指针）索引节点编号】

2）磁盘索引结点

存放在磁盘上的索引结点。每个文件有唯一的磁盘索引结点。

文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间

3）内存索引节点

存放在内存上的索引结点。当文件被打开时，将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中，方便以后使用。

增加以下信息：索引节点编号、状态、访问计数、文件所属文件系统的逻辑设备号、链接指针

7.3.2 简单的文件目录

1. 单级目录结构

【文件名 | 物理地址 | 文件说明 | 状态位】

逐个比较查找慢，难以共享；不允许文件重名

2. 两级目录

为每个用户再建立一个单独的用户文件目录UFD，这些文件目录结构相似，由用户所有文件的文件控制块组成。在系统中建立一个主文件目录MFD，每个用户目录文件都占一个目录项【用户名 | 指向子目录指针】。

具有以下优点：
(1) 提高了检索目录的速度
(2) 在不同的用户目录中， 可以使用相同的文件名。
(3) 不同用户还可使用不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件

7.3.3 树形目录结构

1. 树形目录

目前大部分系统都是树形结构

2. 路径名和当前目录

1. 路径名

   从根目录到任何数据文件，都只有一条唯一的通路

2. 当前目录

   相对路径名：从当前目录开始直到数据文件为止

   绝对路径名：从根目录开始

3. 目录操作

创建、删除、改变、移动、链接、查找

7.3.4 目录查询技术

1. 线性检索法

2. Hash方法

一种处理此“冲突”的有效规则是：
(1) 在利用Hash法索引查找目录时，如果目录表中相应的目录项是空的，则表示系统中并无指定文件。
(2) 如果目录项中的文件名与指定文件名相匹配， 则表示该目录项正是所要寻找的文件所对应的目录项，故而可从中找到该文件所在的物理地址。
(3) 如果在目录表的相应目录项中的文件名与指定文件名并不匹配，则表示发生了“冲突”，此时须将其Hash值再加上一个常数(该常数应与目录的长度值互质)，形成新的索引值， 再返回到第一步重新开始查找。

7.4 文件共享

系统允许多个用户（进程）共享一份文件。

1. 有向无循环图DAG

2. 利用索引结点

7.4.2 利用符号链接实现文件共享

在利用符号链方式实现文件共享时， 只是文件主才拥有指向其索引结点的指针；而共享该文件的其他用户，则只有该文件的路径名，并不拥有指向其索引结点的指针。这样， 也就不会发生在文件主删除一共享文件后留下一悬空指针的情况。 当文件的拥有者把一个共享文件删除后， 其他用户试图通过符号链去访问一个已被删除的共享文件时，会因系统找不到该文件而使访问失败，于是再将符号链删除，此时不会产生任何影响。

7.5 文件保护

7.5.1 保护域

1. 访问权

(F1,{R/W})

2. 保护域

域是进程对一组对象访问权的集合，进程只能在指定域内执行操作，域规定了进程所能访问的对象和能执行的操作。

3. 进程和域间的静态联系

进程和域之间可一一对应，即一个进程只联系着一个域。在进程的整个生命周期中，其可用资源是固定的，称为静态域。

4. 进程和域间的动态联系方式

进程与域之间可以是一对多的关系。将进程的运行分成若干个阶段，每个阶段联系着一个域。

7.5.2 访问矩阵

1. 基本访问矩阵

利用一个矩阵描述系统的访问控制，即称为访问矩阵。

2. 具有域切换权的访问矩阵

如上图，允许D1⇒D2,D2⇒D3,但不允许D3⇒D1

7.5.3 访问矩阵的修改

1. 拷贝权

相应的权限在列进行扩散

2. 所有权

所有权O，所有者可以增加/删除权限

3. 控制权

可以删除控制域的权限

7.5.4 访问矩阵的实现

1. 访问控制表ACL

对访问矩阵按列（对象）划分，为每一列建立一张访问控制表ACL。把矩阵中属于该列的所有空项删除，此时的访问控制表是由一有序对（域，权集）所组成的。

2. 访问权限控制表

把访问矩阵按行（域）划分，由每一行构成一张访问权限表。由一个域对对象可以执行的一组操作所构成的表。以下图对应图7-19中域D2的访问权限表。