1 第八章文件系统 程序和数据以文件的形式保留 在外存中。本章主要讨论文件的组 织结构，共享与保护以及文件系统 空间管理。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 2 CUIT 徐虹 8．1文件系统的概念 ?文件系统的引入 ?软件资源 ?软件资源：各种系统程序，以及标准子程 序库和应用程序，数据。 ?软件资源都是一组相关联的信息（程序和 数据）的集合。 ?引入文件系统的原因 操 作 系 统 | 文 件 系 统 3 CUIT 徐虹 ?文件系统的功能 ?实现按名存取 ?文件的物理结构 ?文件信息的检索 ?文件的共享和保护 操 作 系 统 | 文 件 系 统 4 CUIT 徐虹 ?文件及文件系统 ?文件 ?数据项 ?记录：一组相关数据项的集合。 ?文件：文件是一个具有符号名字的 一组相关联元素的有序集合。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 5 CUIT 徐虹 ?文件的类型 ?按文件的性质和用途分为：系统文件， 库文件，用户文件 ?按组织形式分为：普通文件，目录文件， 特殊文件 ?按文件的保护方式：只读文件，只写文 件，可执行文件。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 6 CUIT 徐虹 ?文件系统 ?OS中负责管理和存取文件信息的软 件机构。负责文件的建立，撤消，存 入，读写，修改和复制，还负责完成 对文件的按名存取和进行存取控制。 ?使用文件系统的优点 ?使用的方便性 ?数据的安全性 ?接口的统一性 2 操 作 系 统 | 文 件 系 统 7 CUIT 徐虹 ?文件系统的模型 ?对象及其属性说明：文件、目录和磁 盘存储空间。 ?软件集合：I/O控制层、基本文件系 统、基本I/O管理程序和逻辑文件系 统。 ?文件系统的接口：命令接口和程序接 口。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 8 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 9 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 10 CUIT 徐虹 ?文件操作和使用 ?对记录的操作 ?对文件的操作 ?设置和修改用户对文件的存取权限 ?建立，改变和删除目录 ?文件共享和设置访问路径 ?文件的创建，打开，读写，关闭和删除和 设置读/写位置 操 作 系 统 | 文 件 系 统 11 CUIT 徐虹 8．2文件的逻辑结构 ?文件的逻辑结构（文件的组织）： 从用户角度看到的文件的全貌，也 就是它的记录结构。 ?文件的物理结构（文件的存储结 构）：文件在外存上的存储组织形 式。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 12 CUIT 徐虹 ?逻辑结构的类型 ?选取文件的逻辑结构应遵循的原则： ?修改时少变动 ?便于查找 ?占据最小的存储空间 ?便于用户操作 ?流式文件 ?它是有序字符的集合，文件长度等于该文 件所包含的字符数。 3 操 作 系 统 | 文 件 系 统 13 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 14 CUIT 徐虹 ?顺序文件 ?连续结构：按记录生成的先后顺序连续排 列的逻辑结构。 ?顺序结构：把文件中的键按规定的顺序排 列起来。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 15 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 16 CUIT 徐虹 ?索引文件：把记录按键和记录名排列成 行列式结构 R1 R2 …… Rn K1 1 0 …… 1 K2 0 1 …… 0 …… Km 1 1 …… 1 1：键Ki在记录Rj 中0：不在 操 作 系 统 | 文 件 系 统 17 CUIT 徐虹 以键Ki 为队首，以包含键Ki 的记录为队 列元素来构成一个记录队列。 K1——>Ri——>Rj——>Rk——>…… K2——>Rl——>Rm——>Rn——>…… …… Km——>Rx——>Ry——>Rz——>…… 操 作 系 统 | 文 件 系 统 18 CUIT 徐虹 把含有相同键的记录指针全部指向该键，适 合于给定键后的记录搜索。 K1 Ri 含K1的记录指针Rj Rk …… 4 操 作 系 统 | 文 件 系 统 19 CUIT 徐虹 ?索引顺序结构 操 作 系 统 | 文 件 系 统 20 CUIT 徐虹 ?存取方法 ?顺序存取法 ?记录的读写 ?定长： ? Read（F，M，rptr，L）；rptr=rptr+L； ? Write（F，M，wptr，L）；wptr=wptr+L； ?不定长： ? Read（F，T，rptr，1）；rptr=rptr+1； ? Read（F，M，rptr，T）；rptr=rptr+T； ? Write（F，M，wptr，T+1）； ptr=wptr+T+1； 操 作 系 统 | 文 件 系 统 21 CUIT 徐虹 ?直接存取法（随机存取法） ?允许用户随意存取文件中的任一记录， 根据记录的编号或地址。 ?流式文件 ?定长记录文件： ?变长记录文件采用索引表的组织 操 作 系 统 | 文 件 系 统 22 CUIT 徐虹 ?按键存取法 ?文件的存取是根据文件内容而不是记录的 编号或地址。首先搜索到记录的逻辑位置， 再将其转换到相应的物理地址后进行存取。 ?线性搜索法 ?散列法（hash法） ?二分搜索法 操 作 系 统 | 文 件 系 统 23 CUIT 徐虹 8．3文件目录管理 ?一个文件的说明信息称为该文件的目录。 用户向系统提供符号名，系统根据文件 的符号名找到它的物理地址。 ?功能：实现文件的按名存取，实现符号 名与具体物理地址之间的转换，文件的 共享和保护。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 24 CUIT 徐虹 ?文件控制块和索引结点 ?文件的组成：文件说明（FCB）和文件 体。FCB即为文件的目录。 ?文件控制块（File Control Block） ?基本信息 ?存取控制信息 ?使用信息 5 操 作 系 统 | 文 件 系 统 25 CUIT 徐虹 ?索引结点 ?文件目录的缺陷 ?索引结点的引入 ?目录：文件名和指向I结点的指针 ?i 结点：文件描述信息。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 26 CUIT 徐虹 ?磁盘索引结点：每个文件有唯一的磁盘索 引结点。 ?文件主标识 ?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 操 作 系 统 | 文 件 系 统 27 CUIT 徐虹 ?内存索引结点 ?索引结点编号 ?状态 ?访问计数 ?文件所在设备的逻辑设备号 ?链接指针：空闲链表、散列队列指针 操 作 系 统 | 文 件 系 统 28 CUIT 徐虹 ?单级目录 ?目录内容 ?文件访问过程 ?创建和删除文件 ?存在的问题 ?重名问题： ?别名问题： ?文件数量过多时，查找效率低。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 29 CUIT 徐虹 ?两级目录 ?结构：系统由主目录（MFD）和用户 目录（UFD）构成。 ?文件的查找 ?文件的建立 ?文件的删除： 操 作 系 统 | 文 件 系 统 30 CUIT 徐虹 ?树型目录 ?多级树型目录结构 ?文件路径名 ?工作目录 ?增加和删除目录 ?特点 6 操 作 系 统 | 文 件 系 统 31 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 32 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 33 CUIT 徐虹 ?目录的查询技术 ?过程 ?根据文件名找到其FCB或索引结点； ?查找FCB或索引结点中的文件物理地址（盘块 号），换算为物理位置； ?启动磁盘驱动程序，将文件读入内存。 ?检索方法 ?顺序查找法： ?二分查找法： ? Hash 法： 操 作 系 统 | 文 件 系 统 34 CUIT 徐虹 8．4文件共享 ?早期共享方法 ?绕道法 ?链接法 ?一个目录中的表目直接指向另一个目录 表目。 ?在FCB 中必须增加“连访属性”和“用户 计数”项。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 35 CUIT 徐虹 ?基本文件目录表 ?把文件目录的内容分为两部分，符号 文件目录（SFD）和基本文件目录 （BFD）。 ?系统通常预先规定赋予基本文件目录 （0），空白文件目录（1），主目 录（2）（符号文件目录）固定不变 的唯一标识符。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 36 CUIT 徐虹 ?文件的查找过程： ?读出ID=2的BFD表目，确定MFD 的物理 位置； ?读出MFD，并查寻与路径名匹配的ID； ?根据ID 值，读出BFD的相应表目，确定 SFD的物理地址； ?读出SFD，查找与文件名匹配的ID； ?根据此ID，读出BFD的相应表目，确定该 文件的物理地址，对于SFD是利用符号名 来查找匹配表目的，即按键存取。 7 操 作 系 统 | 文 件 系 统 37 CUIT 徐虹 ?共享某个文件，只需给出被共享的 文件名，系统自动在SDF的有关文 件处生成与共享文件相同的内部标 识符。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 38 CUIT 徐虹 ?基于索引结点的共享方法 ?树型目录中文件共享的问题 ?用索引结点实现文件共享 ?指向相同的索引结点 ?链接计数器count ?文件共享的过程 操 作 系 统 | 文 件 系 统 39 CUIT 徐虹 ?利用符号链实现文件共享 ?实现 ?B共享C的文件F，由系统创建LINK类型 的新文件，它包含被F的路径名（符号 链），并写入B的用户目录中。 ?只有文件主才拥有指向索引结点的指针。 ?问题 ?访问速度慢；链接文件也要建立索引结 点；同一文件有不同的文件名。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 40 CUIT 徐虹 8．5 文件存取控制 ?文件保护 ?文件保护机构的功能 ?存取验证模块的基本任务 ?审定用户的存取权限； ?比较用户存取权限和本次存取要求； ?比较本次存取要求和被访问文件的存取保 护信息。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 41 CUIT 徐虹 ?访问（存取控制）矩阵 ?实现方法 ?用一个二维矩阵来实现存取控制，一维是 所有的用户或进程，另一维列出全部文件。 每个元素表示某一用户对某一文件的存取 控制权限。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 42 CUIT 徐虹 8 操 作 系 统 | 文 件 系 统 43 CUIT 徐虹 ?存取控制表 ?把有存取要求的用户按某种关系或工程 项目的类别分为若干组，同时规定每组的 存取权限，得到文件的存取控制表。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 44 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 45 CUIT 徐虹 ?访问权限表 ?以用户或用户组为单位建立存取控制表， 称为用户权限表。将一个用户（组）所要 存取的文件名集中起来存入一张表中，每 个表目指明用户对相应文件的存取权限。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 46 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 文 件 系 统 47 CUIT 徐虹 ?分级安全管理 ?系统级 ?防止用户非法进入系统：注册、登录等。 ?用户级 ?用户分类 ?文件主、伙伴和一般用户。 ?超级用户、系统操作员、用户和顾客。 ?文件访问权限：建立(C)、删除(D)、打开(O)、 读(R)、写(W)、查询(S)、修改(M)和父权(P)。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 48 CUIT 徐虹 ?目录级 ?只有系统核心具有写目录的权利。保护系 统目录，与用户权限无关。 ?文件级 ?通过对文件属性的设置，来控制用户对文 件的访问（用户访问权、目录访问权和文 件属性）。 9 操 作 系 统 | 文 件 系 统 49 CUIT 徐虹 8．6多层次文件系统 ?把文件系统的各功能用一系列软件 级来加以描述。层次结构中的每一 级只依赖于它下面的级，且在其下 面的基础上提供更灵活更方便的机 能。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 50 CUIT 徐虹 ?用户接口 ?对系统调用命令进行语法检查； ?改变为内部调用格式，以便调用SFS； ?补充用户未给出而系统可提供的信息，存入 工作单元； ?使系统初始化。 ?符号文件系统（SFS ） ?把用户提供的文件名转换为系统内部的唯一 标识符。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 51 CUIT 徐虹 ?基本文件系统（BFS ） ?根据ID查找所需文件的文件说明。包括存取 控制表，文件逻辑结构，物理结构及第一个 物理块地址。 ?存取控制验证（ACV ） ?实现文件保护，确定访问的合法性 ?逻辑文件系统（LFS ） ?根据文件的逻辑结构信息，通过逻辑字节串 首址的计算，把对逻辑记录的请求转换成对 文件相对块号的请求。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 52 CUIT 徐虹 ?物理文件系统（PFS ） ?把存取记录所在的相对块号转换成物 理块地址；把系统缓冲区中的记录搬 到用户缓冲区；与设备策略和分配策 略模块通讯。 ?分配策略模块（ASM ） ?负责记住每个存储设备上的空白块情 况。管理空白文件目录（FFD），并 负责进行分配回收。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 53 CUIT 徐虹 ?设备策略模块（ＤＳＭ） ?把物理块号转换成相应设备所要求的 地址格式。 ?I/O 调度和控制系统 ?实现所有I/O请求的排队，调度，启动， I/O操作的控制，完成把物理块记录从 文件所在的设备传输到系统缓冲区。 操 作 系 统 | 文 件 系 统 54 CUIT 徐虹 小结 ?文件系统的概念 ?文件的逻辑结构和存取方法 ?文件目录 ?文件的共享和文件的保护