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第十章文件系统.ppt

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10.1 文件和文件系统 10.2 文件的逻辑结构 10.3 文件的物理结构 10.4 文件空间分配与管理 10.5 目录管理 10.6 文件的共享和保护,第10章 文件管理,10.1 文件与文件系统,1.文件 (1)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(不保护文件、只读文件和读写文件)。 (2)属性 除文件名和数据以外的,与文件相关的信息。(参考教材P234表11.1),(3)文件的操作(参考教材P235) (4)文件的加锁(同步控制),10.1 文件与文件系统,2.文件系统 (1)概念文件系统是指OS中处理文件的软件和数据。 (2)功能 文件的存取 文件的组织 目录管理 文件存储空间的管理 文件的共享和保护 文件操作,10.1 文件与文件系统,具体可分成以下八个层次:,(3)文件系统的层次模型,(3)文件系统的层次模型,用户存取要求,用户接口,符号文件系统,基本文件系统,存取控制层,逻辑文件系统,物理文件系统,,,回答,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,存储设备分配 策略模块,,文件名转换成 文件标识符fd,由fd获得文件 信息,逻辑地址转 换成相对块号,相对块号转 换成物理块号,物理块号变换成设备要求的格式,对空闲存储块 进行管理,1)用户接口(命令接口、系统调用) 2)符号文件系统(将用户文件名转换成系统内部名) 3)基本文件系统根据系统内部文件名找到文件的说明信息,包括存取控制表、文件结构和开始地址等。 4)存取控制层(检验访问的合法性) 5)逻辑文件系统 根据文件的逻辑结构和块设备中的块尺寸计算所要访问数据的相对块号。,(3)文件系统的层次模型,6)物理文件系统 根据文件的存储结构将相对块号转换成物理块号。 7)文件存储设备分配策略模块和设备策略模块 设备分配策略模块对空闲存储块进行管理。 设备策略模块将物理块号转换成对应文件存储设备所要求的格式(柱面、磁道、扇区)。 8)I/O调度及控制(设备处理程序执行读写操作),(3)文件系统的层次模型,10.2 文件的逻辑结构,文件的逻辑结构是指用户可以直接处理的文件的组织形式,也称文件组织。文件逻辑结构选取的主要考虑因素:存取速度、维护方便和可靠性等。 1.分类 从逻辑结构上,文件分为: 有结构文件(记录式文件) 无结构文件(字符流文件,是一种顺序文件。),操作系统不知道也不关心文件的内容,所见到的是字节序列。 UNIX文件系统把所有的文件都看作是字符流的顺序文件。,(1)根据文件中记录的特性分定长记录文件变长记录文件 (2)根据文件的组织方式分 顺序文件 索引文件 索引顺序文件 直接或哈希文件,2.有结构文件(记录式文件),(1)逻辑记录的排序 串结构文件(按时间先后排列,与关键字无关) 顺序结构文件(按关键字顺序排序) (2)顺序文件的读、写操作 1)定长记录,4.顺序文件,设置一指针ptr,指向下一次存取的 记录的逻辑地址,定长记录的长度为l, 则有:ptr=ptr+l,,4.顺序文件,2)变长记录,每个记录的长度Li记录的长度存放 在Li单元中 Ptri+1=ptri+Li+l 第i个记录的首地址Ai为:Ai=∑Lk+i*l,k=0,i-1,(3)顺序文件的优点 适合顺序存取,批量存取的效率高。 (4)顺序文件的缺点变长记录文件随机直接存取效率低。,4.顺序文件,5.索引顺序文件,(1)原理将顺序文件的所有记录分成若干个组,并为顺序文件建 立一张索引表,索引表的表项为每组第一个记录的键 值和指向该记录的指针。索引顺序文件一般是按关键 字的顺序组织成的文件。 (2)组织形式,,,,索引表,逻辑文件,索引顺序文件支持对逻辑文件的顺序访问,也支持对索引表的 随机访问。,5.索引顺序文件,6.索引文件,(1)原理为每个文件建立一张主索引表,每个逻辑记录在索引表中建立一个表项,每一个表项设一指针指向对应的逻辑记录。用户也可以根据需要,用自己感兴趣的字段建立辅助索引表。 (2)组织形式,索引表,逻辑文件,索引文件很容易实现对逻辑文件的随机访问。,10.3 文件的物理结构,1.文件物理结构 (1)概念 是指文件在外存上的存储组织形式,也称文件存储结构。文件的物理结构决定了文件信息在存储设备上存放的位置。 (2)物理结构的类型 连续文件 串联文件 索引文件,3.连续文件,(1)原理是把逻辑上连续的文件信息依次存放到相邻的物理块中。,文件说明信息,0 1 2 3,文件信息在外存上连续存放。,3.连续文件,(2)优点逻辑地址到物理地址的转换方便,便于批量存取,查找速度快。 (3)缺点 文件建立后不能方便地动态增长,且对文件部分信息的删改会留下难以利用的碎片。 事先必须知道文件的长度。,4.串联文件(链接文件),(1)以扇区为单位的链接文件原理:将文件信息存放到物理上不相邻的物理块中,各物理块通过指针连接,每个物理块设有指针指向它的后续物理块。 (参见教材P244图11.14),4.串联文件(链接文件),优点 文件长度可以动态增长和收缩,消除了外部碎片,事先不必知道文件的长度。 缺点 增加了链接指针的维护和存储开销。 查询逻辑上连续记录的时间长,不能实现随机访问。,(2)以区段(或簇)为单位的链接文件 簇:由连续的扇区组成。 原理:分配存储块时,以簇为单位,尽可能使逻辑上相邻的相对块在物理上也相邻。 优点: 便于文件的动态增长。 减少了链接指针的开销,缩短了查寻时间。,4.串联文件(链接文件),5.索引文件,(1)原理系统给每个文件建立一个索引表,并在文件分配表(FAT)中,为每个文件分配一个表目,指出该文件的索引表所在的物理盘块,文件的每个逻辑块是索引表中有一个表项。 (参见教材P245图11.15),(2)索引块的组织结构,链式索引块表多重索引块表(略),6.文件的存储设备,(1)顺序存储设备物理块按前后顺序组织,只有在前面的物理块被存取访问后,才能存取后续的物理块的内容,如磁带。 (2)直接存取设备允许文件系统直接存取存储设备上的任意物理块,如磁盘。,7.文件的存取方法,(1)顺序存取法按照文件信息的逻辑顺序依次存取。如,在记录式文件中,为了存取记录Ri, 必须先通过记录R1,R2,…,Ri-1。 (2)直接存取法(随机存取法)指允许用户根据记录编号来随意存取文件中的任何一个记录。,文件物理结构存储设备与存取方法之间的关系:,1.文件空间分配的考虑因素 分配策略:静态分配、动态分配 分区的大小 文件空间的管理(多数系统使用文件分配表FAT) 2.目标 有效利用外存空间 提高文件的访问速度,10.4 文件空间的分配和管理,3.分配方法 从文件的物理结构上可以看出,文件空间的分配方法有三种: 连续分配 链接分配 索引分配,10.4 文件空间的分配和管理,(1)连续分配 思想:为每一个文件分配一组相邻的盘块。这种分配方式所形成的文件是连续文件。,10.4 文件空间的分配和管理,(1)连续分配,优点: 顺序访问容易,同时支持直接存取访问。 缺点: 要求有连续的存储空间,并且事先必须知道文件的大小。 不适合文件的动态在增长和收缩。,(2)链接分配,思想:给每个文件分配不一定相邻的多个盘块或簇,每个盘块或簇设置链接指针,指向逻辑上相邻的下一个盘块或簇,所有指针将同一文件的多个离散的盘块或簇链接成一个链表。这种分配方式所形成文件是串联(链接)文件。 分类: 隐式链接 显式链接,隐式链接,(2)链接分配,缺点:只适合顺序访问,每 个指针占有一定空间。,显式链接 每个磁盘设置一张文件分配表(FAT),每个表项对应一物理盘块,通过设置一指针将属于同一文件的各个物理块链接起来。,(2)链接分配,注:FAT一般常驻内存。,缺点: 不支持直接存取 FAT占较大的内存空间 存在指针开销,(2)链接分配,(3)索引分配,原理: 为每个文件分配一索引块,分配给文件的所有盘块的盘块号记录在对应的索引块中。,实现形式: 单级索引 多级索引 基于i节点的索引分配:每个文件在自己的i节点中维护了一个小FAT表(该文件自己的文件分配表(参考P246图11.16))。 混合索引 直接地址、一次间接地址和多次间接地址相结合的一种索引实现形式。如下图:,(3)索引分配,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三次间接寻址,两次间接寻址,一次间接寻址,直接寻址,优点:既适合大文件也适合中、小型文件。,i节点,优点: 直接存取效率高 便于文件动态增长和收缩。 缺点: 索引块内部存在文件空间的浪费。,(3)索引分配,例:,某文件系统的索引结构采用“混合索引”模式,每个索引结点中有10个直接地址,一重,二重和三重索引各一个。现假设每个盘块号占2个字节,每个盘块的大小为512B。试求该文件系统中文件的最大长度。,直接地址:10×512 一重索引: 256 × 512 二重索引:2562×512 三重索引:2563×512,设某文件为链接文件,由5个逻辑记录组成,每个逻辑记录的大小与磁盘块大小相等,为512B,5个逻辑记录依次存放在50,121,75,80和63号盘块上。 问题:若用户要求读第1285字节的逻辑记录,文件系统各个层次将如何工作?,1285/512=2 1285 MOD 512=261 2号逻辑块对应的物理块盘号为75,所以系统将75 号盘块读入内存,将记录读出。,4. 文件的存储空间管理,(1)盘块大小 逻辑磁盘:一个物理磁盘通常被分成若干个物理上连续的分区,每个分区就是一个逻辑磁盘。 磁盘分区:磁盘分区由磁盘上一组连续的柱面组成,每个分区有一个自包含的文件系统 磁盘块大小:磁盘块规定了文件系统分配的粒度和磁盘I/O的粒度。 片段:是磁盘块的进一步细化。一个磁盘块可以细分成一个或多个片段。,每个计算机系统可以有多个文件系统,每个文件系统 使用自己定义的磁盘块大小。,(2)空闲块的管理方法 空闲文件目录 空闲块链 位示图(盘图),4. 文件的存储空间管理,1)空闲文件目录法,把文件存储空间中的空闲块号统一 放在一个称为空闲文件目录的物理块中, 空闲文件目录中的每个表项对应一个由多 个空闲块构成的空闲区,包括空闲块数、 第一个空闲块号等。,空闲文件目录,2)空闲块链,把文件存储设备上所有的空闲盘块通过指针链接在一起,组成一链表。,,,,3,5,…,105,0,3)位示图(盘图),为每个文件存储设备建立一张位示图,文件存储设备上的每个物理块对应于相应位示图中的一个比特位。该位为“0”,表示未分配,为“1”表示已分配。,4)成组链法,①空闲盘块的组织(链接索引表方法P249) a.空闲盘块号栈 存放当前可用的一组空闲盘块的盘块号以及栈中可用的空闲盘块数。 b.文件区的空闲盘块组织 使用若干个空闲物理块作为索引块,并把文件区的所有空闲盘块划分成若干组,每一组构成一索引表,存储于一索引块中,索引表的每个表目指向一空闲块。 每一索引表块的第0个表目是一指向下一索引表块的指针和链尾标志。这样各组的第一个盘块形成一条链。,例:现假设系统中的第201~499号空闲盘块用来存放文件,每组为50个盘块,按成组链法组织空闲盘块,结构如下:,,,,201,,,,,,,,,,,,,,,ptr,栈底0,空闲盘块号栈(超级块),149,a,b,d,a.分配 按先进后出的原则依次将对应的盘块分配 给申请进程,然后执行总数N=N-1,当N=0时,读入下一索引块进栈。 b.回收将回收的盘块的盘块号压入栈顶,执行N=N+1,当N=50将空闲盘块号栈中的空闲盘块存入一新的索引块中,再组织下一组。,②空闲盘块的分配与回收,1.基本概念 (1)文件控制块FCB(文件目录信息块或索引节点) 是描述和控制文件的一种数据结构。FCB的信息包括: 基本信息(如文件名、文件的逻辑和物理结构等) 存取控制信息(如文件的各级存取权限) 使用信息(如文件的建立和使用日期) 地址信息(设备号、起始地址和文件的大小等),10.5 目录管理,(2)基本文件目录 一个文件系统中所有全部文件目录信息块组成的线性表。 (3)索引结点(i结点,文件控制块FCB )是由除文件名外的其他文件描述信息所形成的一种数据结构。 1)为什么要引入索引结点? 文件目录占用大量的盘块,检索时间长 在检索目录文件过程中只用到文件名,1.基本概念,2)种类 磁盘索引结点存放在外存上的索引结点。基本信息包括: 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、和文件存取时间等信息。 内存索引结点存放在内存上的索引结点。内存索引结点包含磁盘索引接点的全部信息,并增加内存索引结点编号、状态、访问计数、文件所属的逻辑设备号和链接指针等信息。,1.基本概念,2.文件的目录结构,(1)单级目录结构整个文件系统只建立一张目录表,每个文件 在目录表中占有一目录项。 缺点: 查找速度慢 不允许重名 不方便实现文件共享,(2)两级目录结构,在系统中建立一个主文件目录MFD,同时还为每个用 户建立一用户目录UFD。结构如下:,,,,,,,,,,MFD,UFD,共享 文件,(2)两级目录结构,优点: 提高了目录检索的速度 实现了不同用户的文件同名 解决了不同用户的文件共享问题,(3)树型目录结构,1)原理:在两极目录的基础上,允许用户创建自己的子目录,子目录创建自己的子目录,依次类推。,2)当前目录(工作目录) 3)路径 相对路径:从当前目录出发的路径。 绝对路径:从根目录出发的路径。,(3)树型目录结构,3.文件目录结构的设计,(1)使用整体目录结构还是分体目录结构(2)是否采用树形目录结构,文件属性,文件属性,文件属性,,,,整体目录结构,分体式目录结构,分体目录结构中的属性数据块在UNIX文件系统中 称为i节点,在有些文件系统中也称为文件控制块。,4.目录的查询技术,1)线性检索法(顺序检索法) 根据用户提供的文件名,顺序查找文件目录表或其它的目录结构,直到找到目标为止。 例:在树型文件目录环境中,某用户提供的文件名为/user/ast/mbox,查找过程如下:,根目录,/usr目录,/usr/ast目录,,,,,,Usr/ast/mbox的查找过程,132#物理块,406#物理块,索引结点号,,2) hash搜索法(散列法),原理:定义一个散列函数h(x),当用户给定一个键值k,通过散列h(k)将k转换为对应的逻辑地址。 散列冲突:是指不同的键值,经过散列函数变换后所得到的结果是一致的。,5.文件系统在主存中的数据结构,(1)主存索引节点(i节点) 为提高文件访问速度,在主存设置索引节点缓冲区,设置活动索引节点表,每个已打开的文件在活动索引节点表中占一表目。活动索引节点的详细信息参见教材P250。 (2)系统打开文件表 每个打开的文件在系统打开文件表中有一表目,每个表目包括文件打开的标志信息、共享进程记数、打开文件在主存索引节点表的位置和打开文件的当前读写指针等。,(3)进程打开文件描述符表 在每个进程控制块中,有一用户文件的描述符表,该表由文件描述符组成。文件描述符是指示该文件在系统打开文件表中位置的整数。 (4)主存索引节点表和哈希队列 系统在主存索引节点表中维护了4个哈希队列:,5.文件系统在主存中的数据结构,活动索引节点队列 仍有页面在主存的索引节点队列 没有页面在主存的索引节点队列 修改过的索引节点队列,(4)主存索引节点表和哈希队列,1.文件的共享 (1)基于索引结点的共享方式 原理:将除文件名以外的其它文件信息存放到一个叫做索引结点的数据结构中,在文件的目录中只设置文件名和指向索引结点的指针。文件系统中所有的索引节点组成一个索引节点表。如王和李共享文件test的结构如图所示:,10.6 文件的共享与保护,test,Count=2其它文件属性,,,,王的用户 文件目录,李的用户 文件目录,索引结点,注:共享文件创建时由文件主对共享变量count置1,(2)基于符号链的文件共享,原理:为了共享一个文件,由操作系统创建一个LINK类型的新文件并将新文件写入用户目录中。在新文件只包含被链接文件的路径名,新文件中的路径名被看作符号链。 特点: 只有文件主才拥有指向共享文件索引结点的指针,其他文件只有共享文件的路径名。 符号链是一个文件,也配置索引结点,(1)存取访问控制 1)访问控制矩阵 访问矩阵是指描述文件系统的所有用户对不同对象的访问控制权限。,2.文件的保护,2)访问控制表 以访问对象为单位,将用户分成若干组,并规定每组的访问权限。如,file1的访问控制表:,2.文件的保护,file1,3)访问权限表(以用户或用户组为单位)将每个用户或用户组所要访问的文件集中放到一 张表中,每个表项指明对该文件的访问权限。如,某用户的访问权限表:,2.文件的保护,4)口令以及文件的转储与恢复,(2)磁盘容错技术 通过增加冗余的磁盘驱动器、磁盘控制器等来提高系统可靠性的一种技术。也称系统容错技术SFT(System Fault Tolerance)。 (1)第一级容错技术SFT-1 在磁盘上存放双份目录和双份FAT 热修复重定向 系统将一部分磁盘空间作为热修复重定向区,用于存放当发现磁盘有缺陷时的待写数据。,2.文件的保护,写后读校验 每次从内存缓冲区向磁盘写一数据块后,又立即从磁盘上读出该数据块,并送入另一缓冲区中,然后将该缓冲区中的内容与内存缓冲区保留的内容进行比较,若一致则写成功。 (2)第二级容错技术SFT-2 磁盘镜像:在同一磁盘控制器下,增加一个完全相同的磁盘驱动器。 磁盘双工:将两个磁盘驱动器分别连接到两个磁盘控制器上。,2.文件的保护,10.7 虚拟文件系统,1.虚拟文件系统的特点和实现目标 虚拟文件系统的目标是实现一个多重文件系统的框架和一个一致的严格定义的接口。具体包括: 同时支持几种文件系统类型 不同的逻辑磁盘包含不同类型的文件系统 支持网络共享文件的访问 支持定制的专用文件系统,2.虚拟文件系统的层次 与具体文件系统无关的虚拟层及接口 文件系统的实现层 该层实现每个具体文件系统的实现细节,主要包括文件系统私用数据结构和相关操作函数的定义与实现。,10.7 虚拟文件系统,3.虚拟节点与虚拟文件系统 在虚拟文件系统中,一个虚拟节点表示内核中的一个文件,虚拟文件系统代表内核中的一个文件系统。 虚拟节点和虚拟文件系统是定义多重文件系统框架的接口与抽象层次,是文件系统共同特性的抽象描述。(P254图11.22),10.7 虚拟文件系统,4.虚拟文件系统开关表 虚拟文件系统开关表将虚拟节点和虚拟文件系统的操作映射到具体的文件系统实现上。每个具体文件系统在该表中有一表目,内容包括: 文件系统的类型 初始化程序的入口地址 该虚拟文件系统的操作函数向量,10.7 虚拟文件系统,作业7:,1.P261 习题11.5、11.6、11.12 2. 某文件file有7条记录,每条记录的长度与文件系统磁盘块的尺寸相等,都是1024个字节,每太逻辑记录对应的物理盘块号为5、12、150、32、76、2和83。 问题:当用户要读取2886字节处的逻辑信息时,简述文件系统的各个层次是如何工作的。,
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