第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.2 文件结构
5.3 文件的存储设备
5.4 文件目录管理
5.5 文件共享与安全
5.6 文件使用本章结束！
5.1 文件管理概述
5.1.1 文件管理的主要任务文件 是指存储在外存上的信息集合。在大多数计算机应用中，
文件是主要的处理对象。
文件管理的主要任务 是负责管理文件信息,并把对文件的存取,共享和保护等手段提供给操作系统和用户 。 文件管理的主要目标是提高外存储空间的利用率,其主要任务是对用户文件和系统文件进行管理,方便用户的使用,并保证文件的安全性 。
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5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
1．文件存储空间管理文件都是存储在磁盘上的，所以磁盘空间的管理是文件管理需要考虑的一个主要问题。要把文件保存到存储介质上，必须知道哪些存储空间已经使用，哪些存储空间还没有使用，文件只能保存到没有使用的空闲的存储空间，否则会破坏已保存的信息。
文件存储空间管理 是为每个文件分配必要的存储空间，提高存储空间的利用率，并能有助于提高文件系统的工作速度。
由于文件存储设备是以存储块为单位进行管理的，因此，文件存储空间的管理实质上是对一个存储块的组织和管理问题，它包括存储块的组织，存储块的分配与存储块的回收。
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5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
2．文件目录管理目录管理的任务是为每个文件建立目录项，并对众多的目录加以组织，以实现文件的按名存取，实现文件的共享，提供快速的目录查询手段，提高文件的检索速度。
为实现文件的按名存取，每个文件应该具有一个文件名与之对应。一般来讲，用户文件名由用户指定，系统文件和特殊文件名在系统设计时指定。为了有效地利用存储空间并迅速准确地完成由文件名到文件物理位臵的转换，必须把与文件相关的文件名等信息按一定的组织结构进行排列，这主要是依赖于 文件目录 来实现。
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5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
3．逻辑文件与物理文件的转换用户的大量信息都存放在磁盘或磁带上，必须记住各种信息的分布情况及信息存放的物理位臵，并启动磁盘或磁带机来保存或读取信息。为了方便用户，规定用户直接使用的是 逻辑文件,
用户使用文件时只要给出文件的名字和一些适当的说明信息，文件系统就能按照用户的要求把逻辑文件组织成 物理文件 存放到存储介质上或者把存储介质上的物理文件转换成逻辑文件供用户使用。
文件系统还可以根据需要更换文件存放的位臵而对用户没有任何影响。
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5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
4．文件读写管理文件的读写控制是和文件的 共享、保护和保密 问题紧密相关的。这三个问题实际上是一个用户对文件的使用权限，即读、写、
执行的许可权问题。
文件系统读写控制的 主要任务,一是,对拥有读写和执行权限的用户，允许他们对文件进行相应的操作。 二是,对没有相应权限的用户，禁止他们对文件进行相应的操作。 三是,防止一个用户冒充其他用户对文件进行读写操作。 四是,防止拥有存取权限的用户误用文件。
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5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
5．文件共享和安全的管理文件共享 是指不同的用户共同使用同一个文件。在现代计算机系统中，有些文件是可以供多个用户共享的，如编辑程序和函数等。在文件共享的系统中，只需要保存该共享文件的一个副本，
就可以减少文件复制操作花费的时间，节省大量的存储空间。
在文件的使用过程中，一些人为因素、系统因素和自然因素都会导致文件被破坏或丢失。文件的安全管理即 文件的保护,是解决对文件非法操作的关键。
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5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
1．文件文件 是指存放在外存上的已命名的一组相关信息的集合，通常将程序和数据组织成文件。
文件中的 基本访问单位 是位、字节或记录。
文件的 属性 包括文件类型、文件长度、文件的物理位臵、文件的存取控制、文件的建立时间。
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5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
2．记录记录 是一组相关数据项的集合，用于描述数据对象某方面的属性。它是文件中数据处理的基本单位，是组成文件的基本元素。
在一个由大量记录组成的文件中，为了能惟一地标识一条记录，可以在记录的各个数据项中，确定出一个或几个数据项，把它（或它们）称为 关键字 （ key）。如在描述学生的数据项中，学号可以做为关键字。
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5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
3．数据项数据项 是指描述一个对象的某种属性的字符集，它是数据处理的最小单位。它可以分为基本数据项和组合数据项。
（ 1）基本数据项。 基本数据项是用于描述一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。它的命名往往与其属性一致。
（ 2）组合数据项。 组合数据项由若干个基本数据项组成，简称组项。例如，工资就是一个组项，它由基本工资、工龄工资和奖励工资等基本项组成。
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5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
4．文件类型
（ 1）按性质和用途分类,系统文件、用户文件和库文件。
（ 2）按文件中的数据形式分类,源文件、目标文件和可执行文件。
（ 3）按文件的存取控制属性分类,只执行文件、只读文件和读写文件。
（ 4）按文件的逻辑结构分类,有结构文件和无结构文件。
（ 5）按文件的物理结构分类,顺序文件、链接文件和索引文件。
（ 6）按照文件的内容分类,普通文件、目录文件和特殊文件。
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5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
5．文件系统文件系统 是指含有大量文件及其属性说明、对文件进行操作和管理的，向用户提供使用接口的软件集合。
图 5-1表示了文件系统的组成。
它分为三个层次,最低层 是对象及其属性说明； 中间层 是对对象进行操作和管理的软件集合； 最高层 是文件系统提供给用户的接口。
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5.2 文件结构
5.2.1 文件的逻辑结构
1．文件逻辑结构的概念文件的逻辑结构 是用户组织文件时可见的结构，即用户所观察到的文件组织形式。文件的逻辑结构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。
选择 文件的逻辑结构主要有以下 原则,
(1) 提高检索效率。 根据给定的逻辑结构，应使文件系统在尽可能短的时间内找到所需要的记录或基本信息单位。
(2) 便于修改。 便于在文件中增加、删除和修改一条或多条记录。
(3) 降低文件存储费用,使文件占用最小的存储空间。
(4) 便于用户操作。
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5.2 文件结构
5.2.1 文件的逻辑结构
2．文件逻辑结构的形式文件的逻辑结构 从形式上分为两类：有结构的记录式文件和无结构的流式文件。如图 5-2所示。
（ 1）有结构的记录式文件。 图 5-2左图文件 A为记录式文件，
它由若干条记录构成，记录可以按顺序编号，对文件的访问按记录号进行；也可以为每条记录指定一个或一组数据项作为关键字，
然后按关键字进行访问。记录是用户程序与文件系统交换信息的基本单位。
（ 2）无结构的流式文件。 流式文件是指由字符流构成的文件。
它内部的数据不再组成记录，只是一串字符。对流式文件的存取需要指定起始字符和字符数。如图 5-2右文件 B所示。
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5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
1．文件物理结构的概念文件的物理结构,又称为文件的存储结构，它是指文件在外存上存储时的组织结构。文件的物理结构与存储介质的物理特性及用户对文件的访问方式有关。
文件的物理结构通常划分为大小相等的 物理块 。这些物理块也称为 物理记录,它是文件分配及传输信息的基本单位。物理记录的大小与物理设备有关，与逻辑记录的大小无关。
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5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
2．文件物理结构的形式根据文件存储设备的特性以及用户对文件的访问方式，可以在文件存储器中使用以下三种：
（ 1）顺序结构。 顺序结构是最简单的一种物理结构。顺序结构将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中，即所谓的逻辑上连续，物理上也连续。如图 5-3所示 。
顺序结构的优点是管理简单，存取速度快，适合于顺序访问。
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5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
2．文件物理结构的形式
（ 2）链接结构。 克服顺序文件缺点的办法之一是采用链接结构。链接结构将文件存放在外存的若干个物理块中，这些物理块不必连续，并且在每一个物理块中设一个指针，指向下一个物理块的位臵，从而使得存放在同一个文件的物理块链接起来。如图 5-
4所示。
链接文件的优点 是文件的长度可以动态增长，增加和删除记录比较容易，只需要调整链表中的指针即可，外存的利用率高。
其 缺点 是随机访问效率低。
因此，链接文件的访问方式应该是 顺序访问 。
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5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
2．文件物理结构的形式
（ 3）索引结构。 索引文件克服了顺序文件和链接文件的缺点。
索引结构将文件存放在外存的若干个物理块中，并为每一个文件建立一张索引表，索引表中的每个表目存放文件信息的逻辑块号和与之对应的物理块号。索引表的物理地址由文件说明信息给出。
索引结构如图 5-5所示。
索引文件既适合顺序访问，又适合随机访问，应用范围广泛。
但是，当文件的记录数很多时，索引表就会很庞大从而降低检索的速度。
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5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
3．文件的访问方式根据用户对文件内数据的处理方法不同，文件的访问方式可以分为：
（ 1）顺序访问。 它是指用户从文件初始数据开始依次访问文件中的信息。对记录式文件意味着按记录的编号从小到大进行存取，对流式文件则意味着对文件从头至尾进行存取。 顺序访问的特点 是访问速度快，不需要计算访问信息的位臵，适合于数据的统计和汇总等。
（ 2）直接访问。 也称为随机访问，是指用户随机地访问文件中的某段信息。用户在采用直接访问方式访问文件时，文件必须存放在可以支持快速定位的随机存储设备中。
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5.2 文件结构
5.2.3 记录的成组和分解每个用户的文件是由用户按照自己的需要组织的，逻辑记录的大小是由文件的性质决定的。而存储介质上的分块是根据存储介质的特性划分的。所以，逻辑记录的大小往往与存储块的大小不一致。为了节省存储空间，提高主存的利用率，系统引入了记录的成组和分解。如图 5-7所示。
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5.2 文件结构
5.2.3 记录的成组和分解
1．记录成组记录成组 是指把若干条逻辑记录合并成一组存入一个物理块的过程。
记录的成组操作必须使用 主存缓冲区,而一个缓冲区的长度等于最大逻辑记录长度乘以成组的逻辑记录个数。
根据是否允许将一条逻辑记录存储于两个物理块上，可以把记录成组分为跨块方式和不跨块方式。 跨块方式 允许一条逻辑记录存储于两个物理块上，而 不跨块方式 则不允许一条逻辑记录存储于两个物理块上。
特点,采用不跨块方式进行记录成组，操作简单、易于实现，
但是，会浪费一定的存储空间；而采用跨块方式进行记录成组，
提高了存储空间的利用率，但是，操作复杂、不易实现。
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5.2 文件结构
5.2.3 记录的成组和分解
2．记录分解记录分解 是指从一条物理记录中把逻辑记录分离出来的过程。
记录成组存放后，当用户需要某一条记录时，必须把含有该条记录的整块信息读出，再从这一组逻辑记录中找出用户所需要的记录进行处理。记录分解也需要使用主存缓冲区，如图 5-9所示。
采用记录成组与分解操作可以提高存储空间的利用率，有效地减少存储设备的启动次数。但是，记录的成组与分解操作需要设立主存缓冲区，增加了系统开销。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
1．顺序存储设备顺序存储设备 是按信息的物理位臵进行定位和读 /写操作的存储设备。在顺序存储设备中，只有前面的物理块被存取之后，才能存取其后的物理块。
例如 磁带 就是一种典型的顺序存储设备，它总是从磁带的当前位臵开始读 /写。磁带机上的块不是用地址来标识的，而是用它在磁带上的位臵来标识的。为了在存取一个物理块时让磁带机提前加速和不停止在下一个物理块的位臵上，磁带的两个相邻的物理块之间设计有一个间隙将它们隔开。
磁带的结构如图 5-10所示。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
1．顺序存储设备。磁带的存储特性 如下：
（ 1）磁带是一种顺序存取的存储设备，总是从磁头的当前位臵开始读写。
（ 2）磁带上的块不由地址来标识，而由其在磁带上的位臵来识别。
（ 3）块与块之间有间隙，磁带上的物理块就是通过间隙来区分的。
（ 4）磁带的存取速度与信息密度、磁带带速和块间间隙有关。
如果带速高，信息密度大，且所需块间隙小，则磁带存取速度高。
（ 5）磁带的容量大，采用顺序存取方式时存取速度高，采用随机存取方式效率较低。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
1．顺序存储设备。
【 例 5-1】 假定磁带记录密度为每英寸 800字符，每一条逻辑记录为 160字符，块间隙为 0.6英寸。今有 1500条逻辑记录需要存储，
试计算磁带的利用率？若要使磁带空间利用率不少于 50%，至少应以多少条逻辑记录为一组？这说明了什么问题？
【 解 】 因磁带记录密度为每英寸 800字符，则一条逻辑记录占据的磁带长度为,160/800=0.2英寸,1500条逻辑记录要占据的磁带长度为（ 0.2+0.6） *1500=1200英寸。
磁带的利用率为,0.2 /（ 0.2+0.6） = 25%。
要使磁带的利用率不少于 50%，即磁带利用率大于或等于
50%，则一组逻辑记录所占的磁带长度应与间隙长度相等，所以一组中的逻辑记录数至少为,0.6/0.2=3条。
这说明记录的成组可以提高外存空间的利用率。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备直接存储设备 是允许文件系统直接存取对应存储介质上的任意物理块的存储设备。如磁盘就是典型的直接存储设备。
磁盘设备允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块。磁盘机一般由若干张磁盘片组成，这些盘片可以同时沿着一个固定方向高速旋转。每个盘面对应一个磁头，所有的读写磁头被固定在惟一的磁臂上，这样磁头可以沿半径方向同时移动，读写磁盘上不同位臵上的信息。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。 与磁盘有关的概念。
（ 1）磁道。 磁盘盘片上的一系列同心圆称为磁道；为了描述磁道，对磁道由外向内进行编号，称为磁道号（编号均从 0开始）。
即系统通过磁道号完成对磁道的操作。
（ 2）柱面。 与盘片中心有相同距离的所有磁道组成一个柱面；
当磁臂移动到某一位臵时，所有的读写磁头都在同一个柱面上，
盘面上的磁道号即为柱面号；对于软盘，一个柱面仅包含两个磁道。
（ 3）扇区。 磁道沿径向又分成大小相等的若干个区域，每个区域称为一个扇区，每个扇区可以存放相等字节数（一般为 512字节）的信息，按照与磁盘旋转相反的方向依次给扇区编号，称为扇区号。
（ 4）磁头号。 所有的读写磁头由上至下进行编号，称为磁头号。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。磁盘的存储特性 如下：
(1) 磁盘是一种直接存取（按地址）的存储设备。
(2) 磁盘空间的位臵由三个因素决定：柱面号、磁头号、扇区号。
(3) 在磁盘上信息是按柱面存放的，空间分配的基本单位是簇。
(4) 访问磁盘的时间由三部分组成，即寻道时间、延迟时间和传输时间。其中寻道时间是指将磁头从当前位臵移动到指定磁道所经历的时间，也称为移臂时间；延迟时间是通过磁盘的旋转将指定扇区移动到磁头下面的时间，也称为旋转时间；传输时间是指将扇区上的数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
(5) 磁盘的容量大、访问速度快，可以快速定位物理扇区，直接访问，它是计算机系统的主要存储介质。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。
【 例 5-2】 某软盘有 40个磁道，磁头从一个磁道移到另一个磁道需要 6ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均距离为 13磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为 100ms,25ms，
问读取一个 100块的文件需要多少时间？如果系统对磁盘进行了整理，让同一个磁盘块尽可能靠拢，从而使逻辑上相邻的数据块的平均距离降为 2磁道，这时读取一个 100块的文件需要多少时间？
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。
【 解 】 磁盘访问时间 =寻道时间 +旋转延迟时间 +传输时间。
（ 1）磁盘整理前，逻辑上相邻的数据块的平均距离为 13磁道，读取一个数据块的时间为,13*6+100+25=203ms。
因此，读取 100块的文件需要的时间为,203*100=20300ms。
（ 2）磁盘整理后，逻辑上相邻的数据块的平均距离为 2磁道，读取一个数据块的时间为,2*6+100+25=137ms。
因此，读取 100块的文件需要的时间为,137ms*100=13700ms。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法磁盘的驱动调度 就是要决定等待者的访问次序，采用的调度策略称为驱动调度算法。驱动调度是先进行 移臂调度,以尽可能减少寻道时间；再进行 旋转调度,以减少延迟时间。
1．移臂调度移臂调度采用的算法有先来先服务（ FCFS）、最短寻道时间优先（ SSTF）、扫描算法（ SCAN）或电梯调度算法和循环扫描
（ CSCAN）调度算法。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 1）先来先服务（ FCFS）调度算法。 它是按请求访问者的先后次序启动磁盘驱动器，而不考虑它们要访问的物理位臵。
采用这种调度算法，只需要对访问磁盘的作业排队。新来的访问者排在队尾，始终从队首取出访问者访问磁盘，直到该队列为空。
特点,采用这种调度算法，实现起来比较简单，但是在某些情况下会增加磁臂的移动次数，甚至大幅度地移动。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 2）最短寻道时间优先（ SSTF）调度算法。 总是让离当前磁道最近的请求访问者启动磁盘驱动器，即让查找时间最短的那个作业先执行，而不考虑请求访问者到来的先后次序，这样就克服了先来先服务调度算法中磁臂移动过大的问题。
该调度算法需要为请求访问磁盘的作业设臵一个队列，随着当前磁道的改变，不断计算后续访问者与当前磁道的距离，让距离最短的访问者访问磁盘。当前磁道为最新访问的磁道。
特点,该调度算法，虽然减少了磁臂的移动距离，但是，会经常改变磁臂的移动方向，花费时间多又影响机械部件，还会导致“饥饿”现象，即较远距离的孤立的访问者可能很长时间不能获得访问磁盘的机会。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 3）扫描算法（ SCAN）或电梯调度算法。 总是从磁臂当前位臵开始，沿磁臂的移动方向去选择离当前磁臂最近的那个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求访问时，就改变磁臂的移动方向。磁臂的移动类似于电梯，所以也称它为电梯调度算法。
采用这种调度算法，需要为访问者设臵两个队列，根据磁头的移动方向，能访问到的访问者由近及远排队，背离磁头移动方向的访问者也由近及远排为另一队。先按磁头移动方向队列调度访问者访问磁盘，当该方向没有访问者时，再改变方向，选择另一个访问者队列访问磁盘。
特点,较好地解决了寻道性能，又防止了“饥饿”现象。但是，会出现刚访问过的柱面再次提出请求时，会等待较长的时间。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 4）循环扫描（ CSCAN）调度算法。 它是在扫描算法的基础上改进的。磁臂改为单向移动，由外向里。从当前位臵开始沿磁臂的移动方向去选择离当前磁臂最近的那个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求访问时，再回到最外，访问柱面号最小的作业请求。
该调度算法，需要为访问者设臵一个队列，该队列按磁道序号的升序排列，磁头按磁道序号由小到大扫描一遍，被扫描到的访问者可以访问磁盘。被访问过的磁道从该队列中删除，在扫描过程中，又有新的访问者到来时，仍按访问磁道序号的升序排列。
前一遍扫描结束后，再从磁道序号最小的开始扫描。
特点,较好地解决了寻道性能，又防止了“饥饿”现象。不会让刚访问过的磁道再次提请访问时等待较长的时间。但是，会出现磁臂的“黏着”现象，即在某一段时间内，始终访问相邻的几个磁道或某一个磁道时，磁臂不移动的情况。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
2．旋转调度旋转调度 采用的是延迟时间最短者优先算法。当磁臂定位后，
等待访问该柱面的若干个访问者可能要求访问同一磁道上的不同扇区，也可能要求访问不同磁道上的扇区。
旋转调度总是对先到达磁头位臵上的扇区进行信息传送操作，
若访问的扇区号相同，则应分多次进行旋转调度。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
【 例 5-3】 若磁头的当前位臵在 100磁道上，磁头正向磁道号增加的方向移动。现有一磁盘读写请求队列,23,376,205,132、
19,61,190,398,29,4,18,40。若采用先来先服务、最短寻道时间优先和扫描（电梯）调度算法，试计算平均寻道长度各为多少？
【 解 】 （ 1）先来先服务算法。访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：磁头移动磁道总数为：
77+353+171+73+113+42+129+208+369+25+14+22=1596。
平均移动道数为,1596/12=133。
（ 2）最短寻道时间优先算法。访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：磁头移动磁道总数为：
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
32+58+15+144+21+11+6+4+1+14+372+22=700。
平均移动道数为,700/12=58.3。
（ 3）扫描（电梯）算法。访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：磁头移动磁道总数为：
32+58+15+171+22+337+21+11+6+4+1+14=692。
平均移动道数为,692/12=57.7。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
【 例 5-4】 磁盘请求以 10,22,20,2,40,6,38柱面的次序到达磁盘驱动器。寻道时每个柱面移动需要 6ms，计算以下算法的寻道次序和寻道时间。
（ 1）先来先服务调度算法；
（ 2）电梯调度算法（起始向磁道号大的方向移动）
在所有情况下磁头臂起始都位于柱面 20号上。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
【 解 】 （ 1）先来先服务调度算法寻道次序,10,22,20,2,40,6,38柱面寻道时间,((20-10)+(22-10)+(22-20)+(20-2)+(40-2)+(40-
6)+(38-6))*6 =146*6=876ms
（ 2）电梯调度算法（起始移动向上）
寻道次序,22,38,40,20,10,6,2柱面寻道时间,((22-20)+(38-22)+(40-38)+(40-20)+(20-10)+(10-
6)+(6-2))*6 =58*6=348ms
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5.3.3 存储空间的分配与回收在文件系统中,存储管理的主要任务 是对存储空间的分配与回收。
1．顺序结构与连续分配
（ 1）基本原理。 顺序结构将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中。连续分配要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块。一组盘块的地址定义了磁盘上的一段线性地址。因其采用空闲文件目录登记磁盘的空闲区，所以该分配方法也称为 空闲文件目录法 。
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5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
1．顺序结构与连续分配
（ 2）采用的数据结构。
① 文件目录。 用于记录文件在外存空间的存储情况，包括文件名、始址、末址或长度。如图 5-11所示。
② 空闲文件目录。 用于记录外存空闲块的基本情况。它将文件存储设备上的每个连续空闲区看作一个空闲文件（又称自由文件）。系统为所有空闲文件单独建立一个目录，每个空闲文件在这个目录中占一个表目。表目的内容包括：起始空闲块号、连续空闲块个数和所包含的物理块号，如表 5-1所示。
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5.3.3 存储空间的分配与回收
1．顺序结构与连续分配
（ 3）外存空间的分配与回收。
当请求 分配外存空间 时，系统依次扫描空闲文件目录的记录，
直到找到一个合适的空闲文件为止，在文件目录中填入该文件的文件名和所分配的始址、末址，并修改空闲文件目录中相应的表目。否则，系统提示空间不足。
当用户 撤消一个文件 时，系统会根据文件目录，找到该文件在外存中的始址和末址，对空闲文件目录进行调整。调整有四种情况，与可变分区管理的空闲区整理相同。最后，删除该文件在文件目录中的记录。
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5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
1．顺序结构与连续分配
（ 4）特点：
（ 1）它要求文件 存储在一个连续的磁盘 空间中，这种以顺序结构存放的文件称为 顺序文件或连续文件 。
（ 2）文件 顺序访问 容易,存取速度快 ；对于记录定长的顺序文件，还可以随机地访问；当文件存储空间只有少量空闲区时，
效果较好。
（ 3）这种存储管理 会产生碎片,不利于文件的动态扩充，而且必须事先知道文件的长度。
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5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 1）基本原理链接结构 是将文件存放在外存的若干个物理块中，这些物理块不必连续，并且在每一个物理块中设有一个指针，指向下一个物理块的位臵，从而将存放同一个文件的物理块链接起来。因为磁盘空闲块的管理是用空闲块链的方法，所以这种存储分配也称为 空闲块链法 。如图 5-12所示。
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5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 2）采用的数据结构：
① 文件目录。 它用来记录文件在外存空间的分配情况，包括文件名和首块地址。
② 空闲块链。 在文件存储设备上的每个空闲块中设立一个链接指针，指向下一个空闲块，从而将所有的空闲块链接在一起，
并设立一个头指针指向空闲块链的第一个物理块。
③ 链接指针。 在每一个物理块中设臵一个指针，用于指向下一个物理块。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 3）外存空间的分配与回收当请求 分配外存空间 时，系统依次从空闲块链中，取出几块分配给该文件，把最后一个物理块的指针设为空值，并调整空闲块链的头指针。在文件目录中增加一条记录，填入该文件的文件名和首块地址。若空间不足，则给出提示。
当 撤消一个文件 时，系统根据文件目录，收回其存储空间，
并将收回的空闲块依次插入空闲块链首，同时删除该文件在文件目录中的记录。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 4）特点：
（ 1）文件可以存放在一个不连续的外存空间中，这种以链接结构存放的文件称为链接文件或串联文件。
（ 2）这种空间分配方法较好地解决了外存“碎片”的问题，
提高了外存的利用率；文件可以实现动态增长；链接结构适用于顺序存取的文件。
（ 3）文件只能按照文件指针链顺序访问，查找效率低。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 5）空闲块链的链接方法空闲块链的链接方法因系统不同而不同，常用的链接方法有：
按空闲区大小顺序链接，按释放先后顺序链接，按成组链接。前两种方法比较直观，容易理解。这里主要介绍成组链接法。
成组链接法 是将空闲块分成若干组，其中每组空闲块数可以相同也可以不同，再用指针将组与组链接起来，在这种链接法中，
系统根据磁盘块数，开辟若干块来专门登记系统当前拥有的空闲块的块号。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 1）基本原理索引结构将文件存放在外存的若干个物理块中，并为每个文件建立一张索引表，索引表中的每条记录存放文件信息的逻辑块号和与之对应的物理块号。系统通过文件索引表来完成对文件的操作。
在这种方法中，因为磁盘存储空间的管理采用的是位示图，
所以，这种存储管理也称为 位示图法 。如图 5-14所示。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 2）采用的数据结构
① 文件目录。 记录每个文件的文件名和索引表地址。
② 索引表。 记录该文件中每个逻辑块号和与之存储对应的物理块号。文件的逻辑块与物理块的大小相同。
③ 位示图。 用位示图记录外存空间的使用情况和剩余的空闲块数，包括标志位和空闲块数两部分。标志位用一个二进制位表示其对应的一个物理块的状态，其值为,1”时表示块已分配，为
,0”时表示块未分配。位示图的大小由磁盘块的总块数决定。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 3）外存空间的分配与回收。
当文件请求分配外存空间时,首先 计算该文件所需要的物理块数（文件长度 /块的大小）,然后 用该块数与位示图中的空闲块数比较。若文件块数大于空闲块数，则显示外存空间不足的信息，
拒绝分配外存空间；否则，系统为该文件建立一张索引表，在文件目录中登记该文件的名字和索引表的起始地址，并顺序扫描位示图，找出一组值为,0”的二进制位。然后经过简单的换算就可以得到物理盘块号，填入该文件的索引表，并将位示图中的这些位改为,1”。 最后,修改位示图中的空闲块数，即减去文件所需要的存储块数。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 3）外存空间的分配与回收。
当删除文件，也就是回收磁盘空间时，通过文件目录找到该文件的索引表，根据索引表找到该文件所有逻辑块占用的物理块号，计算出物理块在位示图中的行号和列号，将该位清,0”。最后，
删除该文件的索引表，并删除文件目录中的相应记录。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 4）特点：
①文件可以通过索引表存放在一个不连续的外存空间，这种以索引结构存放的文件称为索引文件。
②较好地解决了磁盘“碎片”的问题，提高了外存的利用率，
文件可以实现动态地增长，适宜文件记录的增加和删除操作，索引结构可用于顺序存取和随机存取的文件。
③ 索引表的引用增加了系统开销。对于小文件，其索引表的利用率较少。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.4 存储空间分配举例
【 例 5-5】 有一磁盘组共有 10个盘面，每个盘面上有 100个磁道，
每个磁道有 16个扇区。假定分配以扇区为单位，若使用位示图管理磁盘空间，问位示图需要占用多少空间？若空闲文件目录的每条记录占用 5B，问何时空闲文件目录所需要的空间大于位示图？
【 解 】 因磁盘组扇区总数为,16*100*10=16000，所以位示图的标志位需要 16000位 =2000B。
位示图中的空闲块数的取值范围为 0～ 16000，可以用 2B存储。
位示图的大小为 2000B+2B=2002B。
而空闲文件目录的每条记录占 5B,2002B可以存放的表目数为：
2002/5≈400，所以，当空闲文件目录数大于 400时，空闲文件目录所需要的空间大于位示图。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.4 存储空间分配举例
【 例 5-6】 设某文件为链接文件，由 5条逻辑记录组成，每条逻辑记录的大小与磁盘块大小相等，均为 512B，并依次存放在 50、
121,75,80,63号盘块上。若要存取文件的第 1569逻辑地址处的信息，问要访问哪一个磁盘块？
【 解 】 要存取文件的第 1569逻辑地址处的信息，应首先计算该信息所在的逻辑块号：
逻辑块号 =1569 / 512的商 = 3
即要访问的逻辑记录号为 3。根据文件的存储顺序，要访问的物理盘块号为 80号磁盘块。
第 5章 文件管理返回
5.4 文件目录管理文件管理的主要目标 是实现文件的按名存取。为此，系统必须为每个文件建立一个由文件名到物理地址的映射，这种映射信息及其他管理信息组成了该文件的文件说明。系统把若干个文件说明放在一张表格中，该表格就是 文件目录 。
5.4.1 文件目录的基本概念
1．文件的组成从文件的管理角度看，一个文件包括两部分：文件体和文件控制块。 文件体 即文件本身。 文件控制块 （ FCB,File Control
Block）也称为文件说明，它是为文件设臵的用于描述和控制文件的数据结构，其中包括文件名、文件类型、文件结构、文件的存储位臵、文件长度、文件的访问权限、文件的建立日期和时间等属性。图 5-16给出了 MS-DOS的文件控制块内容。
文件管理程序借助于文件控制块中的信息，实现对文件的各种操作。 文件与文件控制块一一对应 。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.1 文件目录的基本概念
2．文件目录文件目录 是指存放文件有关信息的一种数据结构。它包含多条记录，每条记录为一个文件的文件控制块（ FCB）的有关信息。
最简单的记录包含文件名和文件的起始地址，用以建立文件名和存储地址的对应关系。较复杂的记录包含文件控制块的全部内容，
此时，文件目录就是文件控制块的集合。
文件目录是文件实现按名存取的重要手段。 通常，一个文件目录也被看成一个文件，称为目录文件，它一般建立在辅存上。
文件目录的管理形式可以分为一级目录、二级目录、多级目录三种。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.1 文件目录的基本概念
2．文件目录。 对文件目录的管理有以下要求：
（ 1）实现“按名存取”。 即用户只需要提供文件名，就可以对文件进行存取。这是目录管理中最基本的功能，也是文件系统向用户提供的最基本的服务。
（ 2）提高对目录的检索速度。 合理地组织目录结构，可以加快对目录的检索速度，从而加快对文件的存取速度。这是在设计一个大、中型文件系统时，所追求的主要目标。
（ 3）文件共享。 在多用户系统中，应允许多个用户共享一个文件，这样，只需在外存中保留一份该文件的副本，就可以供不同的用户使用。这样，可以节省大量的外存空间。
（ 4）允许文件重名。 系统应允许不同用户对不同文件取相同的名字，以便于用户按照自己的习惯命名和使用文件。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.2 一级目录
1．基本原理一级目录，也称为单级目录，是一种最简单、最原始的目录结构。它采用的方法是为外存的全部文件建立一张如图 5-17所示的目录表。表中包括全部文件的文件名、索引表的始址以及文件的其他属性，如文件长度、文件类型等。每个文件占据表中的一条记录。该目录表存放在外存的某个固定区域，需要时系统将其全部或部分调入主存。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.2 一级目录
1．基本原理文件系统通过该 目录表 提供的信息对文件进行创建、查找和删除等操作。
（ 1）当 建立一个新文件 时，首先确定该文件在表目中是否惟一，
若与已有文件同名，提示用户重新起名或覆盖已有的文件。若不与已有的文件同名，则从目录表中找出一个空表目，将新文件的相关信息填入其中。
（ 2）当 删除文件 时，首先从目录表中找到该文件的目录项，从中找到该文件索引表的始址，删除文件的索引表，然后清除该文件所占用的目录项。
（ 3）当 对文件进行访问 时，系统首先根据文件名去查找文件目录，
以确定该文件是否存在。如果存在，根据该文件的索引表，经过合法性检查后，完成对文件的操作；否则，显示文件不存在的信息。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.2 一级目录
2．特点
（ 1）目录结构易于实现，管理简单，只需要建立一个文件目录，对文件的所有操作，都是通过该文件目录实现的。
（ 2）易发生重名问题。
（ 3）当文件较多时，查找时间较长。
（ 4）不便于实现文件共享，适用于 PC机的单用户系统。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.3 二级目录
1．基本原理为了克服单级目录结构所存在的缺点，可以把单级目录扩充为二级目录。
在二级目录中，有主文件目录和用户文件目录。在 主文件目录 中，每个用户文件目录都占有一个目录项，其中包括用户名和指向该用户目录文件的指针。用户文件的文件说明组成的目录文件称为 用户文件目录,不同的用户拥有不同的用户文件目录，这些文件目录具有相似的结构，由用户所有文件的文件控制块组成。
二级文件目录结构如图 5-18所示。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.3 二级目录
2．特点
（ 1）提高了检索目录的速度。
（ 2）可以解决用户文件重名问题。
（ 3）可以使不同用户共享同一个文件。
（ 4）可以实现对文件的保护和保密。
（ 5）二级文件目录虽然解决了不同用户之间文件同名的问题，
但是，同一用户的文件不能同名。当一个用户的文件很多时，这个矛盾就比较突出了。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.4 多级目录
1．基本原理为了解决用户文件同名的问题,可以把二级目录的层次关系加以推广，就形成了多级目录。
在二级目录结构中，如果进一步允许用户创建自己的子目录并相应地组织自己的文件，即可以形成三级目录结构，依此类推，
还可以进一步形成多级目录。通常把三级或三级以上的目录结构称为 树型目录结构 。
在树型目录结构中，除了最低一级外，其他每一级存放的都是下一级目录或文件的说明信息，最高层为根目录，最低层为文件。 UNIX和 DOS系统中都采用了树型目录结构，如图 5-19所示。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.4 多级目录
1．基本原理当要访问某个文件时，往往使用 路径名 来标识文件。
文件的路径名是从根目录出发，直到所要找到的文件，将所经过的各目录名用分隔符（通常是,\”）连接起来而形成的字符串。
从根目录出发的路径称为 绝对路径 。
当目录的层次较多时，从根目录出发查找文件很费时间。为此引入了 当前目录,即由用户在一定时间内指定某个目录为当前目录，当用户要访问某个文件时，只需要给出从当前目录出发到要查找的文件之间的路径。从当前目录出发的路径称为 相对路径 。
用相对路径可以缩短搜索路径，提高搜索速度。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.4 多级目录
2．特点
（ 1）层次清楚。
（ 2）解决了用户文件重名问题。
（ 3）搜索速度快。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.5 目录管理举例
【 例 5-7】 假定磁盘块的大小为 1KB，对于 540MB的硬盘，其文件分配表 FAT需要占用多少存储空间？当硬盘容量为 1.2GB时,FAT
需要占用多少空间？
【 解 】 因硬盘的大小为 540MB，磁盘块的大小为 1KB，所以该硬盘的总盘块数为,540MB/1KB=540K（个）
又因 512K<540K<1024K，故 540K个盘块需要用 20位二进制表示，即文件分配表的每个表目为 2.5B。 FAT需要占用的存储空间总数为,2.5B*540K=1350KB。
当硬盘大小为 1.2GB时，硬盘共有盘块数,1.2GB/1KB=1.2M
个。需要用 21位二进制表示。为了方便对文件分配表的存取，每个表目用 24位二进制表示，即文件分配表的每个表目大小为 3B。
所以,FAT需要占用的存储空间总数为,3B*1.2M=3.6MB。
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5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
1．基本概念文件共享 是指一个文件可以被多个授权的用户共同使用。文件的共享不仅可以减少文件复制操作所花费的时间，节省大量的存储空间，还能让不同用户完成各自的任务，实现用户间的合作。
但是，文件的共享是有条件的，是要加以控制的。
文件的共享必须 解决两个问题,一是 如何实现共享,二是 如何对各类共享文件的用户进行存取控制。
文件的 共享分两种情况,第一种 情况是任何时刻只允许一个用户使用共享文件。 另一种 情况是允许多个用户同时使用同一个共享文件。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
2．实现文件共享的方法
（ 1）绕弯路法。 允许每个用户获得一个“当前目录”，用户访问的所有文件都是相对于当前目录的；当所访问的文件不在其当前目录下时，可以通过“向上走”的方式去访问其上级目录。
这种文件共享方式是低效的，因为，为了访问一个不在当前目录下的共享文件时，通常需要花费很多时间去访问多级目录，
也就是说要绕很大的弯路。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
2．实现文件共享的方法
（ 2）基本目录法。 早期实现文件共享的另一种有效方法，就是在文件系统中设臵一个基本目录，每个文件在该目录中均占有一个目录项，用于给出对应于该文件名的惟一标识符，以及该文件的有关说明信息。例如，文件的物理地址、存取控制和管理等信息。此外，每个用户都有一个符号文件目录，其中每一个目录项中都含有该文件的符号名及其惟一的标识符。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
2．实现文件共享的方法
（ 3）连访法。 为了提高对共享文件的访问速度，可以在相应的目录项之间进行链接。具体方法是使一个目录中的目录项直接指向另一个目录中的目录项，在采用连访方法实现文件共享时，应在文件说明中增加一连访属性，以指示文件说明中的物理地址是一个指向文件或共享文件的目录项的指针，同时也应包括可以共享该文件的“用户计数”，用来表示共有多少用户需要使用此文件。当没有任何用户需要此文件时，可以将此共享文件撤消。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全文件安全 是指避免合法用户有意或无意的错误操作破坏文件，
或非法用户访问文件。
影响文件安全性的主要因素 有：
（ 1）人为因素。
（ 2）系统因素。
（ 3）自然因素。
为了 确保文件系统的安全性,可以 采取以下措施,
（ 1）通过存取控制机制来防止由人为因素引起的文件不安全性。
（ 2）通过系统容错技术来防止系统部分的故障所造成的文件不安全性。
（ 3）通过“后备系统”来防止由自然因素所造成的不安全性。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全
1．文件保护文件保护 是指避免文件因有意或无意的错误操作使文件受到破坏。文件保护可以采用的措施有：
（ 1）防止系统故障造成的破坏。 文件系统可以采用建立副本和定时转储的方法来保护文件。 建立副本 是指把同一个文件存放到不同的存储介质上，当某一个存储介质上的文件被破坏时，可以用另一个存储介质上的文件副本来替换。 定时转储 是指定时地把文件转储到其他的存储介质上。当文件发生故障时，就用转储的文件来恢复。
特点,建立副本的方法简单，但是系统开销大，且文件更新时，所有副本都必须更新。这种方法适用容量较小且极为重要的文件。定时转储的方法简单，但是较为费时，在转储过程中一般要停止文件系统的使用。这种方法适用于容量较大的文件。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全
1．文件保护
（ 2） 防止用户共享文件造成的破坏 。 为了防止用户共享文件造成的破坏,文件系统可以采用对每个文件规定使用权限的方法来保护文件 。
文件的使用权限可以设为：只能读,可读可写,只能执行,不能删除等 。 对多用户共享的文件采用树型目录结构,凡得到某级目录权限的用户就可以得到该目录所属的全部目录和文件 。
第 5章 文件管理
5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全
2．文件保密文件保密 是指文件本身不得被未授权的用户访问，即防止他人窃取文件。
实现文件保密采用的方法有：
（ 1）设臵口令。 实现简单、保护信息少、节省存储空间。但是，可靠性差，
不能控制存取权限，口令容易泄露或被破解，适用于一般文件的保密。
（ 2）加密。 是指用户把文件信息翻译成密码形式保存，使用时再把它解密，
还原文件信息。采用这种方法保密性强，节省磁盘空间。但是，在加密和解密时，增加了系统开销。
（ 3）设臵权限。 是将每个用户的所有文件集中存放在一个用户权限表中，
其中每个表目指明对应文件的存取权限，把所有用户权限表集中存放在一个特定的存储区中，当用户对一个文件提出存取要求时，系统通过查找相应的权限表，判断其存取要求是否合法。采用这种方法，文件的安全性较高。
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5.6 文件使用
5.6.1 文件的存取方法文件的存取方法不仅与文件的性质有关，还与用户如何使用文件有关。根据对文件中记录的存取次序，存取方法可以分为,
（ 1）顺序存取 是指按文件中的记录顺序依次进行读操作或写操作的存取方法。
（ 2）随机存取 是指以任意的次序随机读文件中的记录或写文件中的记录。
第 5章 文件管理
5.6 文件使用
5.6.2 文件操作
1．“建立”操作用户要求把一个新文件存放到存储介质上时，首先要向系统提出“建立”请求，此时，用户需要向系统提供相关参数有：用户名、文件名、存取方式、存储设备类型等。系统在接到用户的
“建立”请求后，就在文件目录中寻找空目录项进行登记。
2．“打开”操作用户要使用文件时，必须先提出“打开”请求。此时，用户也需要向系统提供相关参数：用户名、文件名、存取方式、存储设备类型等。系统在接收到用户的“打开”请求后，找出该用户的文件目录，当文件目录不在主存时还需要把它读到主存中；然后，检索文件目录，找到与用户要求相应的目录项，取出文件存放的物理地址。如果是索引文件，还需要把该文件的索引表存放到主存中，以便加快加快后面的读操作。
第 5章 文件管理
5.6 文件使用
5.6.2 文件操作
3．“读 /写”操作用户要读 /写文件记录时，必须先提出“读 /写”请求。系统允许用户对已经执行过“打开”或“建立”操作的文件进行“读 /写”
操作。对于采用顺序存取方式的文件，用户只需要给出“读 /写”
的文件名即可；对于采用随机存取方式的文件，用户除了要给出
“读 /写”的文件名，还要给出“读 /写”记录的编号。系统执行
“读”操作时，按指定的记录号查找索引表，得到记录存放的物理地址后，按地址将记录读出；执行“写”操作时，在索引表中找一个空登记项并找一个空闲的存储块，把记录存放到该空闲块中，同时在索引表中登记。
第 5章 文件管理
5.6 文件使用
5.6.2 文件操作
4．“关闭”操作对于“建立”或“打开”的文件，在进行“读 /写”操作之后，
需要执行“关闭”操作。执行此操作时，要检查读到主存中的文件目录或索引表是否被修改过，如果修改过，应把修改过的文件目录或索引表重新保存好。一个关闭后的文件不能再使用，需要再使用时，则必须再次执行“打开”操作。用户提出“关闭”请求时，必须说明关闭哪个文件。
5．“删除”操作用户在删除文件时提出“删除”操作的请求，系统执行时把指定文件的名字从目录和索引表中除去，并收回它所占用的存储空间。
第 5章 文件管理
5.6 文件使用
5.6.3 文件使用的步骤
（ 1）读文件的步骤
①,打开”文件；
②,读”文件；
③,关闭”文件。
（ 2）写文件的步骤
①,建立”文件；
②,写”文件；
③,关闭”文件。
第 5章 文件管理返回
5.1 文件管理概述
5.2 文件结构
5.3 文件的存储设备
5.4 文件目录管理
5.5 文件共享与安全
5.6 文件使用本章结束！
5.1 文件管理概述
5.1.1 文件管理的主要任务文件 是指存储在外存上的信息集合。在大多数计算机应用中，
文件是主要的处理对象。
文件管理的主要任务 是负责管理文件信息,并把对文件的存取,共享和保护等手段提供给操作系统和用户 。 文件管理的主要目标是提高外存储空间的利用率,其主要任务是对用户文件和系统文件进行管理,方便用户的使用,并保证文件的安全性 。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
1．文件存储空间管理文件都是存储在磁盘上的，所以磁盘空间的管理是文件管理需要考虑的一个主要问题。要把文件保存到存储介质上，必须知道哪些存储空间已经使用，哪些存储空间还没有使用，文件只能保存到没有使用的空闲的存储空间，否则会破坏已保存的信息。
文件存储空间管理 是为每个文件分配必要的存储空间，提高存储空间的利用率，并能有助于提高文件系统的工作速度。
由于文件存储设备是以存储块为单位进行管理的，因此，文件存储空间的管理实质上是对一个存储块的组织和管理问题，它包括存储块的组织，存储块的分配与存储块的回收。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
2．文件目录管理目录管理的任务是为每个文件建立目录项，并对众多的目录加以组织，以实现文件的按名存取，实现文件的共享，提供快速的目录查询手段，提高文件的检索速度。
为实现文件的按名存取，每个文件应该具有一个文件名与之对应。一般来讲，用户文件名由用户指定，系统文件和特殊文件名在系统设计时指定。为了有效地利用存储空间并迅速准确地完成由文件名到文件物理位臵的转换，必须把与文件相关的文件名等信息按一定的组织结构进行排列，这主要是依赖于 文件目录 来实现。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
3．逻辑文件与物理文件的转换用户的大量信息都存放在磁盘或磁带上，必须记住各种信息的分布情况及信息存放的物理位臵，并启动磁盘或磁带机来保存或读取信息。为了方便用户，规定用户直接使用的是 逻辑文件,
用户使用文件时只要给出文件的名字和一些适当的说明信息，文件系统就能按照用户的要求把逻辑文件组织成 物理文件 存放到存储介质上或者把存储介质上的物理文件转换成逻辑文件供用户使用。
文件系统还可以根据需要更换文件存放的位臵而对用户没有任何影响。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
4．文件读写管理文件的读写控制是和文件的 共享、保护和保密 问题紧密相关的。这三个问题实际上是一个用户对文件的使用权限，即读、写、
执行的许可权问题。
文件系统读写控制的 主要任务,一是,对拥有读写和执行权限的用户，允许他们对文件进行相应的操作。 二是,对没有相应权限的用户，禁止他们对文件进行相应的操作。 三是,防止一个用户冒充其他用户对文件进行读写操作。 四是,防止拥有存取权限的用户误用文件。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.2 文件管理的主要功能
5．文件共享和安全的管理文件共享 是指不同的用户共同使用同一个文件。在现代计算机系统中，有些文件是可以供多个用户共享的，如编辑程序和函数等。在文件共享的系统中，只需要保存该共享文件的一个副本，
就可以减少文件复制操作花费的时间，节省大量的存储空间。
在文件的使用过程中，一些人为因素、系统因素和自然因素都会导致文件被破坏或丢失。文件的安全管理即 文件的保护,是解决对文件非法操作的关键。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
1．文件文件 是指存放在外存上的已命名的一组相关信息的集合，通常将程序和数据组织成文件。
文件中的 基本访问单位 是位、字节或记录。
文件的 属性 包括文件类型、文件长度、文件的物理位臵、文件的存取控制、文件的建立时间。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
2．记录记录 是一组相关数据项的集合，用于描述数据对象某方面的属性。它是文件中数据处理的基本单位，是组成文件的基本元素。
在一个由大量记录组成的文件中，为了能惟一地标识一条记录，可以在记录的各个数据项中，确定出一个或几个数据项，把它（或它们）称为 关键字 （ key）。如在描述学生的数据项中，学号可以做为关键字。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
3．数据项数据项 是指描述一个对象的某种属性的字符集，它是数据处理的最小单位。它可以分为基本数据项和组合数据项。
（ 1）基本数据项。 基本数据项是用于描述一个对象的某种属性的字符集，是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位，即原子数据，又称为数据元素或字段。它的命名往往与其属性一致。
（ 2）组合数据项。 组合数据项由若干个基本数据项组成，简称组项。例如，工资就是一个组项，它由基本工资、工龄工资和奖励工资等基本项组成。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
4．文件类型
（ 1）按性质和用途分类,系统文件、用户文件和库文件。
（ 2）按文件中的数据形式分类,源文件、目标文件和可执行文件。
（ 3）按文件的存取控制属性分类,只执行文件、只读文件和读写文件。
（ 4）按文件的逻辑结构分类,有结构文件和无结构文件。
（ 5）按文件的物理结构分类,顺序文件、链接文件和索引文件。
（ 6）按照文件的内容分类,普通文件、目录文件和特殊文件。
第 5章 文件管理
5.1 文件管理概述
5.1.3 文件系统的基本概念
5．文件系统文件系统 是指含有大量文件及其属性说明、对文件进行操作和管理的，向用户提供使用接口的软件集合。
图 5-1表示了文件系统的组成。
它分为三个层次,最低层 是对象及其属性说明； 中间层 是对对象进行操作和管理的软件集合； 最高层 是文件系统提供给用户的接口。
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5.2 文件结构
5.2.1 文件的逻辑结构
1．文件逻辑结构的概念文件的逻辑结构 是用户组织文件时可见的结构，即用户所观察到的文件组织形式。文件的逻辑结构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。
选择 文件的逻辑结构主要有以下 原则,
(1) 提高检索效率。 根据给定的逻辑结构，应使文件系统在尽可能短的时间内找到所需要的记录或基本信息单位。
(2) 便于修改。 便于在文件中增加、删除和修改一条或多条记录。
(3) 降低文件存储费用,使文件占用最小的存储空间。
(4) 便于用户操作。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.1 文件的逻辑结构
2．文件逻辑结构的形式文件的逻辑结构 从形式上分为两类：有结构的记录式文件和无结构的流式文件。如图 5-2所示。
（ 1）有结构的记录式文件。 图 5-2左图文件 A为记录式文件，
它由若干条记录构成，记录可以按顺序编号，对文件的访问按记录号进行；也可以为每条记录指定一个或一组数据项作为关键字，
然后按关键字进行访问。记录是用户程序与文件系统交换信息的基本单位。
（ 2）无结构的流式文件。 流式文件是指由字符流构成的文件。
它内部的数据不再组成记录，只是一串字符。对流式文件的存取需要指定起始字符和字符数。如图 5-2右文件 B所示。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
1．文件物理结构的概念文件的物理结构,又称为文件的存储结构，它是指文件在外存上存储时的组织结构。文件的物理结构与存储介质的物理特性及用户对文件的访问方式有关。
文件的物理结构通常划分为大小相等的 物理块 。这些物理块也称为 物理记录,它是文件分配及传输信息的基本单位。物理记录的大小与物理设备有关，与逻辑记录的大小无关。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
2．文件物理结构的形式根据文件存储设备的特性以及用户对文件的访问方式，可以在文件存储器中使用以下三种：
（ 1）顺序结构。 顺序结构是最简单的一种物理结构。顺序结构将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中，即所谓的逻辑上连续，物理上也连续。如图 5-3所示 。
顺序结构的优点是管理简单，存取速度快，适合于顺序访问。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
2．文件物理结构的形式
（ 2）链接结构。 克服顺序文件缺点的办法之一是采用链接结构。链接结构将文件存放在外存的若干个物理块中，这些物理块不必连续，并且在每一个物理块中设一个指针，指向下一个物理块的位臵，从而使得存放在同一个文件的物理块链接起来。如图 5-
4所示。
链接文件的优点 是文件的长度可以动态增长，增加和删除记录比较容易，只需要调整链表中的指针即可，外存的利用率高。
其 缺点 是随机访问效率低。
因此，链接文件的访问方式应该是 顺序访问 。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
2．文件物理结构的形式
（ 3）索引结构。 索引文件克服了顺序文件和链接文件的缺点。
索引结构将文件存放在外存的若干个物理块中，并为每一个文件建立一张索引表，索引表中的每个表目存放文件信息的逻辑块号和与之对应的物理块号。索引表的物理地址由文件说明信息给出。
索引结构如图 5-5所示。
索引文件既适合顺序访问，又适合随机访问，应用范围广泛。
但是，当文件的记录数很多时，索引表就会很庞大从而降低检索的速度。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.2 文件的物理结构
3．文件的访问方式根据用户对文件内数据的处理方法不同，文件的访问方式可以分为：
（ 1）顺序访问。 它是指用户从文件初始数据开始依次访问文件中的信息。对记录式文件意味着按记录的编号从小到大进行存取，对流式文件则意味着对文件从头至尾进行存取。 顺序访问的特点 是访问速度快，不需要计算访问信息的位臵，适合于数据的统计和汇总等。
（ 2）直接访问。 也称为随机访问，是指用户随机地访问文件中的某段信息。用户在采用直接访问方式访问文件时，文件必须存放在可以支持快速定位的随机存储设备中。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.3 记录的成组和分解每个用户的文件是由用户按照自己的需要组织的，逻辑记录的大小是由文件的性质决定的。而存储介质上的分块是根据存储介质的特性划分的。所以，逻辑记录的大小往往与存储块的大小不一致。为了节省存储空间，提高主存的利用率，系统引入了记录的成组和分解。如图 5-7所示。
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5.2 文件结构
5.2.3 记录的成组和分解
1．记录成组记录成组 是指把若干条逻辑记录合并成一组存入一个物理块的过程。
记录的成组操作必须使用 主存缓冲区,而一个缓冲区的长度等于最大逻辑记录长度乘以成组的逻辑记录个数。
根据是否允许将一条逻辑记录存储于两个物理块上，可以把记录成组分为跨块方式和不跨块方式。 跨块方式 允许一条逻辑记录存储于两个物理块上，而 不跨块方式 则不允许一条逻辑记录存储于两个物理块上。
特点,采用不跨块方式进行记录成组，操作简单、易于实现，
但是，会浪费一定的存储空间；而采用跨块方式进行记录成组，
提高了存储空间的利用率，但是，操作复杂、不易实现。
第 5章 文件管理
5.2 文件结构
5.2.3 记录的成组和分解
2．记录分解记录分解 是指从一条物理记录中把逻辑记录分离出来的过程。
记录成组存放后，当用户需要某一条记录时，必须把含有该条记录的整块信息读出，再从这一组逻辑记录中找出用户所需要的记录进行处理。记录分解也需要使用主存缓冲区，如图 5-9所示。
采用记录成组与分解操作可以提高存储空间的利用率，有效地减少存储设备的启动次数。但是，记录的成组与分解操作需要设立主存缓冲区，增加了系统开销。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
1．顺序存储设备顺序存储设备 是按信息的物理位臵进行定位和读 /写操作的存储设备。在顺序存储设备中，只有前面的物理块被存取之后，才能存取其后的物理块。
例如 磁带 就是一种典型的顺序存储设备，它总是从磁带的当前位臵开始读 /写。磁带机上的块不是用地址来标识的，而是用它在磁带上的位臵来标识的。为了在存取一个物理块时让磁带机提前加速和不停止在下一个物理块的位臵上，磁带的两个相邻的物理块之间设计有一个间隙将它们隔开。
磁带的结构如图 5-10所示。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
1．顺序存储设备。磁带的存储特性 如下：
（ 1）磁带是一种顺序存取的存储设备，总是从磁头的当前位臵开始读写。
（ 2）磁带上的块不由地址来标识，而由其在磁带上的位臵来识别。
（ 3）块与块之间有间隙，磁带上的物理块就是通过间隙来区分的。
（ 4）磁带的存取速度与信息密度、磁带带速和块间间隙有关。
如果带速高，信息密度大，且所需块间隙小，则磁带存取速度高。
（ 5）磁带的容量大，采用顺序存取方式时存取速度高，采用随机存取方式效率较低。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
1．顺序存储设备。
【 例 5-1】 假定磁带记录密度为每英寸 800字符，每一条逻辑记录为 160字符，块间隙为 0.6英寸。今有 1500条逻辑记录需要存储，
试计算磁带的利用率？若要使磁带空间利用率不少于 50%，至少应以多少条逻辑记录为一组？这说明了什么问题？
【 解 】 因磁带记录密度为每英寸 800字符，则一条逻辑记录占据的磁带长度为,160/800=0.2英寸,1500条逻辑记录要占据的磁带长度为（ 0.2+0.6） *1500=1200英寸。
磁带的利用率为,0.2 /（ 0.2+0.6） = 25%。
要使磁带的利用率不少于 50%，即磁带利用率大于或等于
50%，则一组逻辑记录所占的磁带长度应与间隙长度相等，所以一组中的逻辑记录数至少为,0.6/0.2=3条。
这说明记录的成组可以提高外存空间的利用率。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备直接存储设备 是允许文件系统直接存取对应存储介质上的任意物理块的存储设备。如磁盘就是典型的直接存储设备。
磁盘设备允许文件系统直接存取磁盘上的任意物理块。磁盘机一般由若干张磁盘片组成，这些盘片可以同时沿着一个固定方向高速旋转。每个盘面对应一个磁头，所有的读写磁头被固定在惟一的磁臂上，这样磁头可以沿半径方向同时移动，读写磁盘上不同位臵上的信息。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。 与磁盘有关的概念。
（ 1）磁道。 磁盘盘片上的一系列同心圆称为磁道；为了描述磁道，对磁道由外向内进行编号，称为磁道号（编号均从 0开始）。
即系统通过磁道号完成对磁道的操作。
（ 2）柱面。 与盘片中心有相同距离的所有磁道组成一个柱面；
当磁臂移动到某一位臵时，所有的读写磁头都在同一个柱面上，
盘面上的磁道号即为柱面号；对于软盘，一个柱面仅包含两个磁道。
（ 3）扇区。 磁道沿径向又分成大小相等的若干个区域，每个区域称为一个扇区，每个扇区可以存放相等字节数（一般为 512字节）的信息，按照与磁盘旋转相反的方向依次给扇区编号，称为扇区号。
（ 4）磁头号。 所有的读写磁头由上至下进行编号，称为磁头号。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。磁盘的存储特性 如下：
(1) 磁盘是一种直接存取（按地址）的存储设备。
(2) 磁盘空间的位臵由三个因素决定：柱面号、磁头号、扇区号。
(3) 在磁盘上信息是按柱面存放的，空间分配的基本单位是簇。
(4) 访问磁盘的时间由三部分组成，即寻道时间、延迟时间和传输时间。其中寻道时间是指将磁头从当前位臵移动到指定磁道所经历的时间，也称为移臂时间；延迟时间是通过磁盘的旋转将指定扇区移动到磁头下面的时间，也称为旋转时间；传输时间是指将扇区上的数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。
(5) 磁盘的容量大、访问速度快，可以快速定位物理扇区，直接访问，它是计算机系统的主要存储介质。
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。
【 例 5-2】 某软盘有 40个磁道，磁头从一个磁道移到另一个磁道需要 6ms。文件在磁盘上非连续存放，逻辑上相邻数据块的平均距离为 13磁道，每块的旋转延迟时间及传输时间分别为 100ms,25ms，
问读取一个 100块的文件需要多少时间？如果系统对磁盘进行了整理，让同一个磁盘块尽可能靠拢，从而使逻辑上相邻的数据块的平均距离降为 2磁道，这时读取一个 100块的文件需要多少时间？
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5.3 文件的存储设备
5.3.1 文件存储设备的类型
2．直接存储设备。
【 解 】 磁盘访问时间 =寻道时间 +旋转延迟时间 +传输时间。
（ 1）磁盘整理前，逻辑上相邻的数据块的平均距离为 13磁道，读取一个数据块的时间为,13*6+100+25=203ms。
因此，读取 100块的文件需要的时间为,203*100=20300ms。
（ 2）磁盘整理后，逻辑上相邻的数据块的平均距离为 2磁道，读取一个数据块的时间为,2*6+100+25=137ms。
因此，读取 100块的文件需要的时间为,137ms*100=13700ms。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法磁盘的驱动调度 就是要决定等待者的访问次序，采用的调度策略称为驱动调度算法。驱动调度是先进行 移臂调度,以尽可能减少寻道时间；再进行 旋转调度,以减少延迟时间。
1．移臂调度移臂调度采用的算法有先来先服务（ FCFS）、最短寻道时间优先（ SSTF）、扫描算法（ SCAN）或电梯调度算法和循环扫描
（ CSCAN）调度算法。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 1）先来先服务（ FCFS）调度算法。 它是按请求访问者的先后次序启动磁盘驱动器，而不考虑它们要访问的物理位臵。
采用这种调度算法，只需要对访问磁盘的作业排队。新来的访问者排在队尾，始终从队首取出访问者访问磁盘，直到该队列为空。
特点,采用这种调度算法，实现起来比较简单，但是在某些情况下会增加磁臂的移动次数，甚至大幅度地移动。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 2）最短寻道时间优先（ SSTF）调度算法。 总是让离当前磁道最近的请求访问者启动磁盘驱动器，即让查找时间最短的那个作业先执行，而不考虑请求访问者到来的先后次序，这样就克服了先来先服务调度算法中磁臂移动过大的问题。
该调度算法需要为请求访问磁盘的作业设臵一个队列，随着当前磁道的改变，不断计算后续访问者与当前磁道的距离，让距离最短的访问者访问磁盘。当前磁道为最新访问的磁道。
特点,该调度算法，虽然减少了磁臂的移动距离，但是，会经常改变磁臂的移动方向，花费时间多又影响机械部件，还会导致“饥饿”现象，即较远距离的孤立的访问者可能很长时间不能获得访问磁盘的机会。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 3）扫描算法（ SCAN）或电梯调度算法。 总是从磁臂当前位臵开始，沿磁臂的移动方向去选择离当前磁臂最近的那个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求访问时，就改变磁臂的移动方向。磁臂的移动类似于电梯，所以也称它为电梯调度算法。
采用这种调度算法，需要为访问者设臵两个队列，根据磁头的移动方向，能访问到的访问者由近及远排队，背离磁头移动方向的访问者也由近及远排为另一队。先按磁头移动方向队列调度访问者访问磁盘，当该方向没有访问者时，再改变方向，选择另一个访问者队列访问磁盘。
特点,较好地解决了寻道性能，又防止了“饥饿”现象。但是，会出现刚访问过的柱面再次提出请求时，会等待较长的时间。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
1．移臂调度
（ 4）循环扫描（ CSCAN）调度算法。 它是在扫描算法的基础上改进的。磁臂改为单向移动，由外向里。从当前位臵开始沿磁臂的移动方向去选择离当前磁臂最近的那个柱面的访问者。如果沿磁臂的方向无请求访问时，再回到最外，访问柱面号最小的作业请求。
该调度算法，需要为访问者设臵一个队列，该队列按磁道序号的升序排列，磁头按磁道序号由小到大扫描一遍，被扫描到的访问者可以访问磁盘。被访问过的磁道从该队列中删除，在扫描过程中，又有新的访问者到来时，仍按访问磁道序号的升序排列。
前一遍扫描结束后，再从磁道序号最小的开始扫描。
特点,较好地解决了寻道性能，又防止了“饥饿”现象。不会让刚访问过的磁道再次提请访问时等待较长的时间。但是，会出现磁臂的“黏着”现象，即在某一段时间内，始终访问相邻的几个磁道或某一个磁道时，磁臂不移动的情况。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
2．旋转调度旋转调度 采用的是延迟时间最短者优先算法。当磁臂定位后，
等待访问该柱面的若干个访问者可能要求访问同一磁道上的不同扇区，也可能要求访问不同磁道上的扇区。
旋转调度总是对先到达磁头位臵上的扇区进行信息传送操作，
若访问的扇区号相同，则应分多次进行旋转调度。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
【 例 5-3】 若磁头的当前位臵在 100磁道上，磁头正向磁道号增加的方向移动。现有一磁盘读写请求队列,23,376,205,132、
19,61,190,398,29,4,18,40。若采用先来先服务、最短寻道时间优先和扫描（电梯）调度算法，试计算平均寻道长度各为多少？
【 解 】 （ 1）先来先服务算法。访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：磁头移动磁道总数为：
77+353+171+73+113+42+129+208+369+25+14+22=1596。
平均移动道数为,1596/12=133。
（ 2）最短寻道时间优先算法。访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：磁头移动磁道总数为：
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
32+58+15+144+21+11+6+4+1+14+372+22=700。
平均移动道数为,700/12=58.3。
（ 3）扫描（电梯）算法。访问磁道的顺序和移动的磁道数如下表所示：磁头移动磁道总数为：
32+58+15+171+22+337+21+11+6+4+1+14=692。
平均移动道数为,692/12=57.7。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
【 例 5-4】 磁盘请求以 10,22,20,2,40,6,38柱面的次序到达磁盘驱动器。寻道时每个柱面移动需要 6ms，计算以下算法的寻道次序和寻道时间。
（ 1）先来先服务调度算法；
（ 2）电梯调度算法（起始向磁道号大的方向移动）
在所有情况下磁头臂起始都位于柱面 20号上。
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5.3 文件的存储设备
5.3.2 磁盘的驱动调度算法
【 解 】 （ 1）先来先服务调度算法寻道次序,10,22,20,2,40,6,38柱面寻道时间,((20-10)+(22-10)+(22-20)+(20-2)+(40-2)+(40-
6)+(38-6))*6 =146*6=876ms
（ 2）电梯调度算法（起始移动向上）
寻道次序,22,38,40,20,10,6,2柱面寻道时间,((22-20)+(38-22)+(40-38)+(40-20)+(20-10)+(10-
6)+(6-2))*6 =58*6=348ms
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5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收在文件系统中,存储管理的主要任务 是对存储空间的分配与回收。
1．顺序结构与连续分配
（ 1）基本原理。 顺序结构将一个在逻辑上连续的文件信息依次存放在外存连续的物理块中。连续分配要求为每一个文件分配一组相邻接的盘块。一组盘块的地址定义了磁盘上的一段线性地址。因其采用空闲文件目录登记磁盘的空闲区，所以该分配方法也称为 空闲文件目录法 。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
1．顺序结构与连续分配
（ 2）采用的数据结构。
① 文件目录。 用于记录文件在外存空间的存储情况，包括文件名、始址、末址或长度。如图 5-11所示。
② 空闲文件目录。 用于记录外存空闲块的基本情况。它将文件存储设备上的每个连续空闲区看作一个空闲文件（又称自由文件）。系统为所有空闲文件单独建立一个目录，每个空闲文件在这个目录中占一个表目。表目的内容包括：起始空闲块号、连续空闲块个数和所包含的物理块号，如表 5-1所示。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
1．顺序结构与连续分配
（ 3）外存空间的分配与回收。
当请求 分配外存空间 时，系统依次扫描空闲文件目录的记录，
直到找到一个合适的空闲文件为止，在文件目录中填入该文件的文件名和所分配的始址、末址，并修改空闲文件目录中相应的表目。否则，系统提示空间不足。
当用户 撤消一个文件 时，系统会根据文件目录，找到该文件在外存中的始址和末址，对空闲文件目录进行调整。调整有四种情况，与可变分区管理的空闲区整理相同。最后，删除该文件在文件目录中的记录。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
1．顺序结构与连续分配
（ 4）特点：
（ 1）它要求文件 存储在一个连续的磁盘 空间中，这种以顺序结构存放的文件称为 顺序文件或连续文件 。
（ 2）文件 顺序访问 容易,存取速度快 ；对于记录定长的顺序文件，还可以随机地访问；当文件存储空间只有少量空闲区时，
效果较好。
（ 3）这种存储管理 会产生碎片,不利于文件的动态扩充，而且必须事先知道文件的长度。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 1）基本原理链接结构 是将文件存放在外存的若干个物理块中，这些物理块不必连续，并且在每一个物理块中设有一个指针，指向下一个物理块的位臵，从而将存放同一个文件的物理块链接起来。因为磁盘空闲块的管理是用空闲块链的方法，所以这种存储分配也称为 空闲块链法 。如图 5-12所示。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 2）采用的数据结构：
① 文件目录。 它用来记录文件在外存空间的分配情况，包括文件名和首块地址。
② 空闲块链。 在文件存储设备上的每个空闲块中设立一个链接指针，指向下一个空闲块，从而将所有的空闲块链接在一起，
并设立一个头指针指向空闲块链的第一个物理块。
③ 链接指针。 在每一个物理块中设臵一个指针，用于指向下一个物理块。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 3）外存空间的分配与回收当请求 分配外存空间 时，系统依次从空闲块链中，取出几块分配给该文件，把最后一个物理块的指针设为空值，并调整空闲块链的头指针。在文件目录中增加一条记录，填入该文件的文件名和首块地址。若空间不足，则给出提示。
当 撤消一个文件 时，系统根据文件目录，收回其存储空间，
并将收回的空闲块依次插入空闲块链首，同时删除该文件在文件目录中的记录。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 4）特点：
（ 1）文件可以存放在一个不连续的外存空间中，这种以链接结构存放的文件称为链接文件或串联文件。
（ 2）这种空间分配方法较好地解决了外存“碎片”的问题，
提高了外存的利用率；文件可以实现动态增长；链接结构适用于顺序存取的文件。
（ 3）文件只能按照文件指针链顺序访问，查找效率低。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
2．链接结构与链接分配
（ 5）空闲块链的链接方法空闲块链的链接方法因系统不同而不同，常用的链接方法有：
按空闲区大小顺序链接，按释放先后顺序链接，按成组链接。前两种方法比较直观，容易理解。这里主要介绍成组链接法。
成组链接法 是将空闲块分成若干组，其中每组空闲块数可以相同也可以不同，再用指针将组与组链接起来，在这种链接法中，
系统根据磁盘块数，开辟若干块来专门登记系统当前拥有的空闲块的块号。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 1）基本原理索引结构将文件存放在外存的若干个物理块中，并为每个文件建立一张索引表，索引表中的每条记录存放文件信息的逻辑块号和与之对应的物理块号。系统通过文件索引表来完成对文件的操作。
在这种方法中，因为磁盘存储空间的管理采用的是位示图，
所以，这种存储管理也称为 位示图法 。如图 5-14所示。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 2）采用的数据结构
① 文件目录。 记录每个文件的文件名和索引表地址。
② 索引表。 记录该文件中每个逻辑块号和与之存储对应的物理块号。文件的逻辑块与物理块的大小相同。
③ 位示图。 用位示图记录外存空间的使用情况和剩余的空闲块数，包括标志位和空闲块数两部分。标志位用一个二进制位表示其对应的一个物理块的状态，其值为,1”时表示块已分配，为
,0”时表示块未分配。位示图的大小由磁盘块的总块数决定。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 3）外存空间的分配与回收。
当文件请求分配外存空间时,首先 计算该文件所需要的物理块数（文件长度 /块的大小）,然后 用该块数与位示图中的空闲块数比较。若文件块数大于空闲块数，则显示外存空间不足的信息，
拒绝分配外存空间；否则，系统为该文件建立一张索引表，在文件目录中登记该文件的名字和索引表的起始地址，并顺序扫描位示图，找出一组值为,0”的二进制位。然后经过简单的换算就可以得到物理盘块号，填入该文件的索引表，并将位示图中的这些位改为,1”。 最后,修改位示图中的空闲块数，即减去文件所需要的存储块数。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 3）外存空间的分配与回收。
当删除文件，也就是回收磁盘空间时，通过文件目录找到该文件的索引表，根据索引表找到该文件所有逻辑块占用的物理块号，计算出物理块在位示图中的行号和列号，将该位清,0”。最后，
删除该文件的索引表，并删除文件目录中的相应记录。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.3 存储空间的分配与回收
3．索引结构与索引分配
（ 4）特点：
①文件可以通过索引表存放在一个不连续的外存空间，这种以索引结构存放的文件称为索引文件。
②较好地解决了磁盘“碎片”的问题，提高了外存的利用率，
文件可以实现动态地增长，适宜文件记录的增加和删除操作，索引结构可用于顺序存取和随机存取的文件。
③ 索引表的引用增加了系统开销。对于小文件，其索引表的利用率较少。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.4 存储空间分配举例
【 例 5-5】 有一磁盘组共有 10个盘面，每个盘面上有 100个磁道，
每个磁道有 16个扇区。假定分配以扇区为单位，若使用位示图管理磁盘空间，问位示图需要占用多少空间？若空闲文件目录的每条记录占用 5B，问何时空闲文件目录所需要的空间大于位示图？
【 解 】 因磁盘组扇区总数为,16*100*10=16000，所以位示图的标志位需要 16000位 =2000B。
位示图中的空闲块数的取值范围为 0～ 16000，可以用 2B存储。
位示图的大小为 2000B+2B=2002B。
而空闲文件目录的每条记录占 5B,2002B可以存放的表目数为：
2002/5≈400，所以，当空闲文件目录数大于 400时，空闲文件目录所需要的空间大于位示图。
第 5章 文件管理
5.3 文件的存储设备
5.3.4 存储空间分配举例
【 例 5-6】 设某文件为链接文件，由 5条逻辑记录组成，每条逻辑记录的大小与磁盘块大小相等，均为 512B，并依次存放在 50、
121,75,80,63号盘块上。若要存取文件的第 1569逻辑地址处的信息，问要访问哪一个磁盘块？
【 解 】 要存取文件的第 1569逻辑地址处的信息，应首先计算该信息所在的逻辑块号：
逻辑块号 =1569 / 512的商 = 3
即要访问的逻辑记录号为 3。根据文件的存储顺序，要访问的物理盘块号为 80号磁盘块。
第 5章 文件管理返回
5.4 文件目录管理文件管理的主要目标 是实现文件的按名存取。为此，系统必须为每个文件建立一个由文件名到物理地址的映射，这种映射信息及其他管理信息组成了该文件的文件说明。系统把若干个文件说明放在一张表格中，该表格就是 文件目录 。
5.4.1 文件目录的基本概念
1．文件的组成从文件的管理角度看，一个文件包括两部分：文件体和文件控制块。 文件体 即文件本身。 文件控制块 （ FCB,File Control
Block）也称为文件说明，它是为文件设臵的用于描述和控制文件的数据结构，其中包括文件名、文件类型、文件结构、文件的存储位臵、文件长度、文件的访问权限、文件的建立日期和时间等属性。图 5-16给出了 MS-DOS的文件控制块内容。
文件管理程序借助于文件控制块中的信息，实现对文件的各种操作。 文件与文件控制块一一对应 。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.1 文件目录的基本概念
2．文件目录文件目录 是指存放文件有关信息的一种数据结构。它包含多条记录，每条记录为一个文件的文件控制块（ FCB）的有关信息。
最简单的记录包含文件名和文件的起始地址，用以建立文件名和存储地址的对应关系。较复杂的记录包含文件控制块的全部内容，
此时，文件目录就是文件控制块的集合。
文件目录是文件实现按名存取的重要手段。 通常，一个文件目录也被看成一个文件，称为目录文件，它一般建立在辅存上。
文件目录的管理形式可以分为一级目录、二级目录、多级目录三种。
第 5章 文件管理
5.4 文件目录管理
5.4.1 文件目录的基本概念
2．文件目录。 对文件目录的管理有以下要求：
（ 1）实现“按名存取”。 即用户只需要提供文件名，就可以对文件进行存取。这是目录管理中最基本的功能，也是文件系统向用户提供的最基本的服务。
（ 2）提高对目录的检索速度。 合理地组织目录结构，可以加快对目录的检索速度，从而加快对文件的存取速度。这是在设计一个大、中型文件系统时，所追求的主要目标。
（ 3）文件共享。 在多用户系统中，应允许多个用户共享一个文件，这样，只需在外存中保留一份该文件的副本，就可以供不同的用户使用。这样，可以节省大量的外存空间。
（ 4）允许文件重名。 系统应允许不同用户对不同文件取相同的名字，以便于用户按照自己的习惯命名和使用文件。
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5.4 文件目录管理
5.4.2 一级目录
1．基本原理一级目录，也称为单级目录，是一种最简单、最原始的目录结构。它采用的方法是为外存的全部文件建立一张如图 5-17所示的目录表。表中包括全部文件的文件名、索引表的始址以及文件的其他属性，如文件长度、文件类型等。每个文件占据表中的一条记录。该目录表存放在外存的某个固定区域，需要时系统将其全部或部分调入主存。
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5.4 文件目录管理
5.4.2 一级目录
1．基本原理文件系统通过该 目录表 提供的信息对文件进行创建、查找和删除等操作。
（ 1）当 建立一个新文件 时，首先确定该文件在表目中是否惟一，
若与已有文件同名，提示用户重新起名或覆盖已有的文件。若不与已有的文件同名，则从目录表中找出一个空表目，将新文件的相关信息填入其中。
（ 2）当 删除文件 时，首先从目录表中找到该文件的目录项，从中找到该文件索引表的始址，删除文件的索引表，然后清除该文件所占用的目录项。
（ 3）当 对文件进行访问 时，系统首先根据文件名去查找文件目录，
以确定该文件是否存在。如果存在，根据该文件的索引表，经过合法性检查后，完成对文件的操作；否则，显示文件不存在的信息。
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5.4 文件目录管理
5.4.2 一级目录
2．特点
（ 1）目录结构易于实现，管理简单，只需要建立一个文件目录，对文件的所有操作，都是通过该文件目录实现的。
（ 2）易发生重名问题。
（ 3）当文件较多时，查找时间较长。
（ 4）不便于实现文件共享，适用于 PC机的单用户系统。
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5.4 文件目录管理
5.4.3 二级目录
1．基本原理为了克服单级目录结构所存在的缺点，可以把单级目录扩充为二级目录。
在二级目录中，有主文件目录和用户文件目录。在 主文件目录 中，每个用户文件目录都占有一个目录项，其中包括用户名和指向该用户目录文件的指针。用户文件的文件说明组成的目录文件称为 用户文件目录,不同的用户拥有不同的用户文件目录，这些文件目录具有相似的结构，由用户所有文件的文件控制块组成。
二级文件目录结构如图 5-18所示。
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5.4 文件目录管理
5.4.3 二级目录
2．特点
（ 1）提高了检索目录的速度。
（ 2）可以解决用户文件重名问题。
（ 3）可以使不同用户共享同一个文件。
（ 4）可以实现对文件的保护和保密。
（ 5）二级文件目录虽然解决了不同用户之间文件同名的问题，
但是，同一用户的文件不能同名。当一个用户的文件很多时，这个矛盾就比较突出了。
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5.4.4 多级目录
1．基本原理为了解决用户文件同名的问题,可以把二级目录的层次关系加以推广，就形成了多级目录。
在二级目录结构中，如果进一步允许用户创建自己的子目录并相应地组织自己的文件，即可以形成三级目录结构，依此类推，
还可以进一步形成多级目录。通常把三级或三级以上的目录结构称为 树型目录结构 。
在树型目录结构中，除了最低一级外，其他每一级存放的都是下一级目录或文件的说明信息，最高层为根目录，最低层为文件。 UNIX和 DOS系统中都采用了树型目录结构，如图 5-19所示。
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5.4 文件目录管理
5.4.4 多级目录
1．基本原理当要访问某个文件时，往往使用 路径名 来标识文件。
文件的路径名是从根目录出发，直到所要找到的文件，将所经过的各目录名用分隔符（通常是,\”）连接起来而形成的字符串。
从根目录出发的路径称为 绝对路径 。
当目录的层次较多时，从根目录出发查找文件很费时间。为此引入了 当前目录,即由用户在一定时间内指定某个目录为当前目录，当用户要访问某个文件时，只需要给出从当前目录出发到要查找的文件之间的路径。从当前目录出发的路径称为 相对路径 。
用相对路径可以缩短搜索路径，提高搜索速度。
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5.4 文件目录管理
5.4.4 多级目录
2．特点
（ 1）层次清楚。
（ 2）解决了用户文件重名问题。
（ 3）搜索速度快。
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5.4 文件目录管理
5.4.5 目录管理举例
【 例 5-7】 假定磁盘块的大小为 1KB，对于 540MB的硬盘，其文件分配表 FAT需要占用多少存储空间？当硬盘容量为 1.2GB时,FAT
需要占用多少空间？
【 解 】 因硬盘的大小为 540MB，磁盘块的大小为 1KB，所以该硬盘的总盘块数为,540MB/1KB=540K（个）
又因 512K<540K<1024K，故 540K个盘块需要用 20位二进制表示，即文件分配表的每个表目为 2.5B。 FAT需要占用的存储空间总数为,2.5B*540K=1350KB。
当硬盘大小为 1.2GB时，硬盘共有盘块数,1.2GB/1KB=1.2M
个。需要用 21位二进制表示。为了方便对文件分配表的存取，每个表目用 24位二进制表示，即文件分配表的每个表目大小为 3B。
所以,FAT需要占用的存储空间总数为,3B*1.2M=3.6MB。
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5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
1．基本概念文件共享 是指一个文件可以被多个授权的用户共同使用。文件的共享不仅可以减少文件复制操作所花费的时间，节省大量的存储空间，还能让不同用户完成各自的任务，实现用户间的合作。
但是，文件的共享是有条件的，是要加以控制的。
文件的共享必须 解决两个问题,一是 如何实现共享,二是 如何对各类共享文件的用户进行存取控制。
文件的 共享分两种情况,第一种 情况是任何时刻只允许一个用户使用共享文件。 另一种 情况是允许多个用户同时使用同一个共享文件。
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5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
2．实现文件共享的方法
（ 1）绕弯路法。 允许每个用户获得一个“当前目录”，用户访问的所有文件都是相对于当前目录的；当所访问的文件不在其当前目录下时，可以通过“向上走”的方式去访问其上级目录。
这种文件共享方式是低效的，因为，为了访问一个不在当前目录下的共享文件时，通常需要花费很多时间去访问多级目录，
也就是说要绕很大的弯路。
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5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
2．实现文件共享的方法
（ 2）基本目录法。 早期实现文件共享的另一种有效方法，就是在文件系统中设臵一个基本目录，每个文件在该目录中均占有一个目录项，用于给出对应于该文件名的惟一标识符，以及该文件的有关说明信息。例如，文件的物理地址、存取控制和管理等信息。此外，每个用户都有一个符号文件目录，其中每一个目录项中都含有该文件的符号名及其惟一的标识符。
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5.5 文件共享与安全
5.5.1 文件共享
2．实现文件共享的方法
（ 3）连访法。 为了提高对共享文件的访问速度，可以在相应的目录项之间进行链接。具体方法是使一个目录中的目录项直接指向另一个目录中的目录项，在采用连访方法实现文件共享时，应在文件说明中增加一连访属性，以指示文件说明中的物理地址是一个指向文件或共享文件的目录项的指针，同时也应包括可以共享该文件的“用户计数”，用来表示共有多少用户需要使用此文件。当没有任何用户需要此文件时，可以将此共享文件撤消。
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5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全文件安全 是指避免合法用户有意或无意的错误操作破坏文件，
或非法用户访问文件。
影响文件安全性的主要因素 有：
（ 1）人为因素。
（ 2）系统因素。
（ 3）自然因素。
为了 确保文件系统的安全性,可以 采取以下措施,
（ 1）通过存取控制机制来防止由人为因素引起的文件不安全性。
（ 2）通过系统容错技术来防止系统部分的故障所造成的文件不安全性。
（ 3）通过“后备系统”来防止由自然因素所造成的不安全性。
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5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全
1．文件保护文件保护 是指避免文件因有意或无意的错误操作使文件受到破坏。文件保护可以采用的措施有：
（ 1）防止系统故障造成的破坏。 文件系统可以采用建立副本和定时转储的方法来保护文件。 建立副本 是指把同一个文件存放到不同的存储介质上，当某一个存储介质上的文件被破坏时，可以用另一个存储介质上的文件副本来替换。 定时转储 是指定时地把文件转储到其他的存储介质上。当文件发生故障时，就用转储的文件来恢复。
特点,建立副本的方法简单，但是系统开销大，且文件更新时，所有副本都必须更新。这种方法适用容量较小且极为重要的文件。定时转储的方法简单，但是较为费时，在转储过程中一般要停止文件系统的使用。这种方法适用于容量较大的文件。
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5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全
1．文件保护
（ 2） 防止用户共享文件造成的破坏 。 为了防止用户共享文件造成的破坏,文件系统可以采用对每个文件规定使用权限的方法来保护文件 。
文件的使用权限可以设为：只能读,可读可写,只能执行,不能删除等 。 对多用户共享的文件采用树型目录结构,凡得到某级目录权限的用户就可以得到该目录所属的全部目录和文件 。
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5.5 文件共享与安全
5.5.2 文件安全
2．文件保密文件保密 是指文件本身不得被未授权的用户访问，即防止他人窃取文件。
实现文件保密采用的方法有：
（ 1）设臵口令。 实现简单、保护信息少、节省存储空间。但是，可靠性差，
不能控制存取权限，口令容易泄露或被破解，适用于一般文件的保密。
（ 2）加密。 是指用户把文件信息翻译成密码形式保存，使用时再把它解密，
还原文件信息。采用这种方法保密性强，节省磁盘空间。但是，在加密和解密时，增加了系统开销。
（ 3）设臵权限。 是将每个用户的所有文件集中存放在一个用户权限表中，
其中每个表目指明对应文件的存取权限，把所有用户权限表集中存放在一个特定的存储区中，当用户对一个文件提出存取要求时，系统通过查找相应的权限表，判断其存取要求是否合法。采用这种方法，文件的安全性较高。
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5.6 文件使用
5.6.1 文件的存取方法文件的存取方法不仅与文件的性质有关，还与用户如何使用文件有关。根据对文件中记录的存取次序，存取方法可以分为,
（ 1）顺序存取 是指按文件中的记录顺序依次进行读操作或写操作的存取方法。
（ 2）随机存取 是指以任意的次序随机读文件中的记录或写文件中的记录。
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5.6 文件使用
5.6.2 文件操作
1．“建立”操作用户要求把一个新文件存放到存储介质上时，首先要向系统提出“建立”请求，此时，用户需要向系统提供相关参数有：用户名、文件名、存取方式、存储设备类型等。系统在接到用户的
“建立”请求后，就在文件目录中寻找空目录项进行登记。
2．“打开”操作用户要使用文件时，必须先提出“打开”请求。此时，用户也需要向系统提供相关参数：用户名、文件名、存取方式、存储设备类型等。系统在接收到用户的“打开”请求后，找出该用户的文件目录，当文件目录不在主存时还需要把它读到主存中；然后，检索文件目录，找到与用户要求相应的目录项，取出文件存放的物理地址。如果是索引文件，还需要把该文件的索引表存放到主存中，以便加快加快后面的读操作。
第 5章 文件管理
5.6 文件使用
5.6.2 文件操作
3．“读 /写”操作用户要读 /写文件记录时，必须先提出“读 /写”请求。系统允许用户对已经执行过“打开”或“建立”操作的文件进行“读 /写”
操作。对于采用顺序存取方式的文件，用户只需要给出“读 /写”
的文件名即可；对于采用随机存取方式的文件，用户除了要给出
“读 /写”的文件名，还要给出“读 /写”记录的编号。系统执行
“读”操作时，按指定的记录号查找索引表，得到记录存放的物理地址后，按地址将记录读出；执行“写”操作时，在索引表中找一个空登记项并找一个空闲的存储块，把记录存放到该空闲块中，同时在索引表中登记。
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5.6 文件使用
5.6.2 文件操作
4．“关闭”操作对于“建立”或“打开”的文件，在进行“读 /写”操作之后，
需要执行“关闭”操作。执行此操作时，要检查读到主存中的文件目录或索引表是否被修改过，如果修改过，应把修改过的文件目录或索引表重新保存好。一个关闭后的文件不能再使用，需要再使用时，则必须再次执行“打开”操作。用户提出“关闭”请求时，必须说明关闭哪个文件。
5．“删除”操作用户在删除文件时提出“删除”操作的请求，系统执行时把指定文件的名字从目录和索引表中除去，并收回它所占用的存储空间。
第 5章 文件管理
5.6 文件使用
5.6.3 文件使用的步骤
（ 1）读文件的步骤
①,打开”文件；
②,读”文件；
③,关闭”文件。
（ 2）写文件的步骤
①,建立”文件；
②,写”文件；
③,关闭”文件。
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