2025年文件管理系统在操作系统中提供了（在操作系统中,文件管理的主要作用）

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思维导图

第四章文件管理

文件：

是以计算机硬盘为载体存储在计算机上的信息集合。在系统运行时，计算机以进程为基本单位进行资源的调度和分配，而在用户进行的输入、输出中，则以文件为基本单位。

无结构文件：又称流式文件，将数据按顺序组织成记录并积累保存

有结构文件：又称记录式文件，由一组相似记录组成。

文件的属性：

1）名称：唯一

2）标识符：唯一标签，对人不可读的一种内部名称

3）类型

4）位置

5）大小

6）保护

7）时间、日期和用户标识

所有文件的信息都保存在目录结构中，而目录结构保存在外存上，目录条目包括文件名称及其唯一标识符。

文件的基本操作：

1）创建文件

2）写文件

3）读文件

4）文件重定位（文件寻址）

5）删除文件

6）截断文件

系统调用open通常返回一个指向打开文件表中的一个条目的指针，通过使用该指针（而非文件名）进行所有I/O操作。在open调用完成之后，操作系统对该文件的任何操作，都不再需要文件名，只需要open调用返回的指针。

文件的逻辑结构：

无结构文件：又称流式文件，将数据按顺序组织成记录并积累保存，如源程序文件、目标代码文件等

有结构文件：又称记录式文件，由一组相似记录组成

1）顺序文件

串结构：记录之间的顺序与关键字无关

顺序结构：记录之间的顺序与关键字有关

2）索引文件：为变长文件建立索引表，提高查找速度，变长记录文件只能顺序查找，索引表本身是定长记录的顺序文件

3）索引顺序文件：顺序文件和索引文件的结合

4）直接文件或散列文件：通过哈希函数直接决定记录的物理地址，没有顺序的特性

目录结构：

文件控制块：用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构，以实现“按名存取”。FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。为了创建一个新文件，系统将分配一个FCB并存放在文件目录中，成为目录项。

FCB主要包含以下信息：基本信息、存取控制信息、使用信息

单级目录结构：在整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项

两级目录结构：将分件目录分成主文件目录和用户文件目录

多级目录结构（树形目录结构）：可以很方便地对文件进行分类

无环图目录结构：实现文件共享

文件控制块（FCB）：

文件控制块一般在创建该文件时建立，打开文件时只是将文件控制块的内容读入内存，读和写文件时对文件内容操作，它们必须依靠文件控制块的指示，例如外存地址、读写权限等。关闭文件只是将文件控制块写回磁盘，删除文件时将文件控制块清除。

文件控制块至少应该包含以下信息：

1、文件名

2、文件的结构：说明文件的逻辑结构是记录式文件还是流式文件，若为记录式文件还需要进一步说明记录是否定长、记录长度及个数；说明文件的物理结构是顺序文件、索引顺序文件还是索引文件

3、文件的物理位置：如对于连续文件应给出文件第一块的物理地址及所占块数，对于索引顺序文件只需要给出第一块的物理地址，对于索引文件则应给出索引表地址。

4、存取控制信息

5、管理信息。

文件共享:

1）基于索引结点的共享方式（硬链接）（count为0时系统才删除文件）

2）利用符号链实现文件共享（软链接）（快捷方式）

硬链接和软链接都是文件系统中的静态共享方法，硬链接的查找速度会比软链接快。

文件保护：

1）口令保护：通过口令访问文件，时间和空间开销不多，缺点是口令直接存在系统内部，不够安全

2）加密保护：对文件进行加密处理，节省了存储空间，不过编码和译码要花费一定时间

3）访问控制：根据访问者的身份进行限制

文件的分类：

按用途分类:

1.系统文件:操作系统和各种系统应用程序和数据组成的文件。用户只能通过系统调用访问。

⒉库文件:标准子程序及常用应用程序组成的文件3.用户文件:用户委托系统保存的文件

按保存期限分:

1.临时文件:用来存放中间结果，一旦作业完成，文件会自动删除。( temp目录，~.tmp 文件)

2.永久文件:数据需要长期保存的文件

3.档案文件:保存在作为“档案”用的磁带或光盘等永久介质上，以备查证和恢复时使用的文件。

按文件组织方式分:逻辑文件、物理文件UNIX系统中的文件类型

1.普通文件:由一般信息组成的文件。

2.目录文件:由文件的目录构成的特殊文件:用来检索文件的目录信息。

3.特殊文件:把设备看作是文件。对文件的操作转化成对设备的操作。与设备驱动程序紧密联系。

按文件的保护级别分:只读文件、读写文件、执行文件、不保护文件

按设备类型分:磁带文件、磁盘文件

按信息流向分:输入文件（键盘)、输出文件（打印机)、输入输出文件（磁盘）。

文件的逻辑结构：

逻辑文件:用户组织的文件

无结构的字符流式文件:构成文件的基本单位是字符（源程序文件，目标代码文件等)有结构的记录文件:构成文件的基本单位是记录(定长记录文件:根据记录号和记录长度来确定逻辑记录地址;不定长记录文件;记录的主键)

文件的存储结构：

物理文件:存放在存储介质上的文件

1.顺序结构:把一个文件在逻辑上连续的信息存放到磁盘上依次相邻的块中，便形成顺序结构。

物理顺序和逻辑顺序一致存储介质:磁带

只读或只写文件（备份和恢复)适合顺序存取

优点:存取信息速度快

缺点:磁盘存储空间利用率不高

⒉.链接结构:

存储空间是不连续的（存储介质一般为:磁盘)文件的逻辑记录顺序与磁盘上的存储空间顺序独立。

文件信息占用的第一块的物理地址登记在文件目录中

每一个物理块的最后一个单元存放下一块的链接指针（如果链接指针为0，表示文件结束)

又称“链接文件”或“串联文件”(只能顺序存取，便于插入和删除）

优点:允许用户扩充文件（插入，删除）只适合于对记录按先后顺序进行存取的文件

3.索引结构:

索引文件:非连续存储的一种方法索引表:记录号与地址的对应表

顺序存取或随机存取

便于增、删文件的记录

额外的开销（索引表)

文件实现:

文件分配方式：

1）连续分配：在磁盘上连续存放文件，寻道数和寻道时间最小，支持顺序访问和直接访问

优点：实现简单、存取速度快

缺点：文件长度不宜动态增加，会产生外部碎片，只适用于长度固定的文件

2）链接分配：采取离散分配的方式，消除了外部碎片，提高磁盘空间的利用率

隐式：采用类似链表的结构，无法直接访问盘块，只能通过指针顺序访问文件

显式：把隐式文件中的指针单独抽离出来，存放在内存的一张链接表（文件分配表）中，该表在整个磁盘仅设置一张，每个表项中存放对应块的下一块链接指针，即下一个盘块号

3）索引分配：每个文件所有的盘块号都集中存放，建立索引表，支持直接访问，且没有外部碎片问题，易于文件扩展

存储空间管理：

空闲表：属于连续分配方式，把所有空闲块组织成表

空闲链表法：把所有空闲块组织成链表

位示图：利用二进制的每位记录空闲块

盘块的分配：盘块号b=n(i-1)+j

盘块的回收：i=(b-1) DIV n + 1；j=(b-1) MOD n + 1

成组链接：空闲表和空闲链表的结合，适合大的文件系统

磁盘组织与管理:

磁盘地址结构：柱面号、盘面号、扇区号

寻道时间：将磁头移动到指定磁道所需要的时间，Ts=m*n+s

延迟时间：磁头定位到某一磁道的扇区所需要的时间，Tr=1/(2r)

传输时间：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，Tt=b/(rN)

启动时间（一般忽略）：控制器的启动时间

调度算法:

1）先来先服务：根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度

2）最短寻找时间优先：选择当前磁头所在磁道距离最近的磁道，会产生“饥饿”现象

3）扫描算法：又称电梯调度，在磁头当前移动方向上选择与当前磁头所在磁道距离最近的请求

4）循环扫描：在扫描算法的基础上规定磁头单向移动来提供服务，回返时直接快速移动至起始端而不服务任何请求

索引节点:

有些操作系统采用了文件名和文件描述信息分开的方法，将文件描述信息单独形成一个索引节点，简称 i 结点。文件目录中的每个目录项仅由文件名和指向该文件 i 节点的指针构成。

存放在磁盘上的索引节点称为磁盘索引节点，每个文件都有唯一的磁盘索引节点。当文件被打开时，磁盘索引接节点被复制到内存的索引节点中，以便使用，存放在内存中的索引节点就称为内存索引节点。

目录检索:

要实现用户对文件的按名存取，系统先利用用户提供的文件名形成检索路径，再对目录进行查询。在顺序检索中时，路径名的一个分量名未找到，说明路径名中的某个目录或文件不存在，就不需要再查找了。

目录进行查询的方式有两种：线性检索和散列方法，线性检索即 root/…/filename，线代操作系统中一般采用这种方式查询文件。

为了加快文件查找速度，可以设立当前目录，于是文件路径可以从当前目录进行查找，不必都从根目录开始逐级检索。

在顺序检索法的查找完成后，得到的是文件的逻辑地址。

磁盘管理：

1）磁盘初始化：对磁盘进行低级格式化和逻辑格式化

低级格式化（物理分区）：在磁盘存储数据之前，必须分成扇区以便磁盘控制器能进行读和写操作

逻辑格式化（创建文件系统）：对物理分区进行逻辑格式化，操作系统将初始的文件系统数据结构存储到磁盘上，这些数据结构包括空闲和已分配的空间以及一个初始为空的目录

2）引导块：存放自举程序

3）坏块：对于损坏扇区的处理，使系统不去使用坏块，坏块属于硬件故障，操作系统是不能修复的

改善磁盘 I/O 性能的方法：

1）重排 I/O 请求次序

重排 I/O 请求次序的含义就是将磁盘请求访问顺序进行重新排序，就是有关磁盘访问调度策略的选择对 I/O 的性能影响。对于相同的访问请求集合，访问顺序会受到调度策略的选择影响，因此会有不同的寻道时间，而寻道时间是磁盘访问时间中最大的一项，因此不同的调度策略会影响磁盘设备的 I/O 性能。

2）磁盘缓存

预读和滞后写也是常见的提升磁盘 I/O 速度的方法。预读是指当访问一个磁盘块时，将相邻的后续几个也一并读出放在缓存中，若用到，则直接读入内存，省去了寻道的时间。而滞后写是指系统将一个数据输出到磁盘上时，先不直接写入磁盘，而是先保存在缓存中，以防短期内系统又要对这个数据进行改动。如果要改动数据，直接修改缓存即可，而不需要启动磁盘进行修改。

文件删除：

删除文件时，存放文件的盘块常常返回到空闲盘块链，有些系统同时清除盘块中的内容，而另一些系统则不清除，下面对这两种方式从性能、安全性、方便性三个角度进行比较。

性能方面：因为后一种方式在删除文件时减少了访问磁盘的次数，故其速度比前一种方式更快。

安全性方面：把一个内容没有被清除的磁盘分配给下一个用户使用，则有可能使其获得盘块中的内容，故前一种方式更加安全。

方便性方面：如果盘块中的内容没有被清除，则当用户因误操作而删除文件时，有可能通过某种办法恢复被删除的文件，故后一种方式更为方便。

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