文件管理

目录结构

概述

现代计算机中需要用到大量的程序和数据把这些程序和数据都存在内存中显然是不现实的而且也不能长期保存，所以平时把这些程序和数据以文件的形式存放在外存中，需要时随时可以调入内存。

文件和文件系统

文件的三个基本特征

1. 文件的内容为一组相关信息 ： 文件的内容可以是源程序、可执行的二进制代码程序、待处理的数据 表格 声音 图像等
2. 文件具有保存性 ： 文件存放在磁盘 磁带 光盘等介质上，其内容可以被长期的保存和多次使用
3. 文件可按名存取 ： 每个文件都具有唯一的标识名信息，用户无需了解文件所在的存储介质

文件系统的五大功能

1. 完成文件存储空间的管理。 基本任务是建立文件时进行文件存储空间的分配，在删除文件时进行文件存储空间的回收
2. 实现文件名到物理地址的映射。 这种映射对用户是透明的，用户不必了解文件存放的物理位置和查看方法等，只需指出文件名就可以找到相应的文件 ，主要通过文件说明部分中文件的物理地址来实现
3. 实现文件和目录的操作管理。 根据各种操作的要求完成各种操作所规定的任务
4. 提供文件共享能力和安全可靠措施。 文件共享值过个用户可以使用同一个文件，安全是访问文件被盗窃或破坏。
5. 文件系统向用户提供了有关文件和目录操作的接口。

文件的分类

按文件的性质和用途进行分类

1. 系统文件。只允许用户通过系统调用来执行他们，而不允许对其进行读写和修改。 主要由操作系统核心，各种系统应用程序和数据组成。
2. 库文件。 允许用户进行读取和执行，但不允许进行修改的子程序库，如C语言子程序库。
3. 用户文件。 用户委托文件系统保存的文件，只有文件的所有者或被授权的用户才能使用。 主要由源程序 目标程序 用户数据库等组成

按文件的组织形式进行分类

1. 普通文件。 既包括系统文件也包括用户文件 库函数文件和应用程序文件。组织格式为系统中所规定的最一般格式的文件，就是平时所说的文件。
2. 目录文件。 由文件的目录信息构成的特殊文件数据
3. 特殊文件。 有的系统中所有的输入输出设备都被看作特殊文件

根据使用和管理情况

1. 临时文件。 是一种私有资源，是用户在某次解题过程中建立的中间文件。仅保存在磁盘上，随用户撤离系统而撤销，不可共享。
2. 永久文件。 用户经常使用的文件。这类文件不仅在磁盘上有文件副本，且在作为“档案”的介质上也有一个可用的副本。
3. 档案文件。 仅保存在作为“档案”用的外存介质上，以备查证和回复用。

按文件系统提出的保护级别

1. 只读文件
2. 读写文件
3. 不保护文件

按文件的数据流向

1. 输入型文件。 这类文件只能读
2. 输出性文件。 这类文件只能写入
3. 输入/输出文件。 这类文件既可读又可写

文件的结构和存取方式

文件的组织结构是指文件的构造方式，用户和文件系统往往从不同的角度对待同一个文件，因此对于任何一个文件都存在两种形式的结构。

文件的存取方式

文件的存取方式与文件的逻辑结构和物理结构有关。常用的存取方法有顺序存取 随机存取 按键存取三种方式

1. 顺序存取

   按照文件的逻辑地址顺序存取

2. 随机存取

   允许用户根据记录的编号存取文件的任一记录，或者是根据存取命令把读写指针移到欲读写出来读写

3. 按键存取

   用在复杂文件系统特别是数据库管理系统中的存取方式。文件的存取根据特定的键或记录名进行。

文件的逻辑结构

选择逻辑应遵循原则

1. 便于修改 。 便于文件中增加 删除和修改其中的数据
2. 提高检索速率。 当用户需要对文件信息进行操作时，给定的逻辑结构应使文件系统在尽可能短的时间内查找到需要的信息。
3. 应使文件信息占据最小的存储空间
4. 便于用户进行操作

逻辑结构也可以分为两类 一类是有结构文件，是由一个以上的记录构成的文件，故又称为记录式文件；二是无结构文件，是指由字符流构成的文件又称流式文件

记录式文件

一种有结构的文件。在逻辑上总是被看成一组连续有序的记录的集合。每个记录由彼此相关的域构成。

记录可以按编号分为记录1，记录2，，，记录n

根据记录的长度可分为定长记录文件和变长记录文件两类

记录文件可以把文件中的记录在处理前按各种不同的方式排列，构成不同的逻辑结构，以方便用户对文件中的记录进行修改、追加、查找和管理等操作。

为此记录式文件又可以分为三类

1. 顺序文件

   按照某种顺序排列的记录组成的文件

2. 索引文件

   为之建立一张索引表，并为每个记录设置一表项，以加速对记录的检索速度

3. 索引顺序文件

   将顺序文件中的所有记录分成若干个组，然后为顺序文件设置一张索引表，在索引表中为每组的第一个记录建立一个索引项。

流式文件

无结构的流式文件是相关有序字符的集合。文件中的数据不在组成记录，只是依次的一串信息集合，字符是构成文件的基本单位。

流式文件对操作系统来说管理比较方便，对于用户来说，适于进行字符流的正文处理，也可以不受约束地灵活组成其文件内部的逻辑结构。

存储介质

✈️常见的存储介质 ：磁盘 光盘 内存 磁带等

⛵️卷的概念：一盘磁带，一个磁盘组都称为一卷。卷是存储介质的物理单位。对于磁带机和可卸盘组磁盘机等设备而言，存储介质与存储设备可以分离，所以物理卷和物理设备不总是一直的，不能混为一谈。

一个卷上可以保存一个文件或者多个文件，一个文件也能保存在多个卷上或者多个文件保存在多个卷上

🍎块的概念：块是存储介质上连续信息所组成的一个区域，也称物理记录。块是内存和外存进行信息交换的物理单位，每次总是交换一块或整数块信息。

决定块的大小要考虑到用户使用方式，数据传输效率和存储设备类型等多种因素。

不同类型的存储介质块的大小常常不同

同一类型的存储介质，块的大小也可以同

两种存储设备

1. 顺序存储设备(如磁带)

   严格依赖信息的物理位置进行定位和读/写的存储设备。

   顺序设备只有在前面的物理块被存取访问后，才能存取后序的物理块的内容

2. 直接存取设备（如磁盘）

   又称随机存储设备，允许文件系统直接存取对应存储介质上的任意物理块

文件的物理结构

文件的物理结构指逻辑文件在物理存储空间中的存放方法和组织关系

文件的物理结构涉及块的划分、记录的排列、索引的组织、信息的搜索等许多问题

磁盘文件的物理结构

1. 连续文件

   将一个文件中逻辑上连续的信息存放到磁盘上的一次相邻的快上便形成顺序结构

   逻辑顺序和物理顺序完全一致

   为了能找到文件存放的地址，文件控制块需要记录该文件的第一个盘块的块号和文件长度

   优点 ：顺序访问容易，速度快

   缺点 ：

   1. 要求有连续的存储空间
   2. 必须事先知道文件的长度

2. 链接文件

   逻辑文件的各个逻辑记录任意存放到一些磁盘块中，这些磁盘块可以分散在磁盘的任意位置。通过指针将这些逻辑记录按顺序连接起来。

   文件控制块需要记录该文件第一个记录所在的盘块号和文件长度。

   根据指针存放位置的不同，又可以分为隐式链接和显式链接

   1. 隐式连接

      将指针存放在盘块中，每个盘块中都含有一个指向下一个盘块的指针

      这种方式导致隐式链接只适合顺序访问，直接访问低效

   2. 显示链接

      将指针显式的存放在外存的一张连接表中 ----> 文件分配表(FAT)

      查找某一盘块时将此表读入内存。

      缺点：

      1. 不支持高效的存取，对一个较大的文件进行直接存取必须首先在存放连接指针的表中查找许多盘块
      2. 文件分配表也会占用内存空间，一个文件所占用的盘块随机分布在表中，必须将整个表调入内存，才能保证表中可找到一个文件的盘块号

3. 索引文件

   为每一个文件分配一个索引块（用来存储索引的盘块），把文件的所有盘块号都记录在该索引块中。

还可以有二级索引，即再分配一个索引块，将前几块的索引块的盘块号写入到此索引中，就形成了二级索引分配方式。

混合索引分配

文件目录

文件目录需要达到的要求

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

文件控制块

文件在创建没个文件时为其创建了一个文件目录，也称文件说明或文件控制块。

与文件一一对应，随文件的创建而创建，随文件的删除而消失

用于查找文件，是文件系统实现按名存取的重要手段

文件控制块应包含的信息

1. 有关文件存取控制的信息
2. 有关文件结构的信息
3. 有关文件管理的信息

文件目录结构

文件系统把若干个文件的文件目录组织成一个独立的文件，这个全部由文件目录组成的文件称为目录文件 也就是我们平时所说的“目录”

一级文件目录

构造一张线性表，也每个文件相关的说明信息占用一个目录项

缺点：

1. 搜索范围宽
2. 不允许文件重名
3. 难以实现文件共享 ----> 不同用户使用不同文件名来共享一个文件，在一级目录中是很难实现的

二级目录

第一级为主文件目录，第二级为用户文件目录

多级文件目录

类似于linux的目录结构

参考资料

《操作系统》第四版 刘振鹏 张明 王煜著