计算机组成原理

第四章 文件管理

author:slightwjq
2022年12月31日

4.1 文件系统基础

文件是存储在计算机上的信息集合。系统运行时，计算机以进程为基本单位进行资源的调度与分配；而在用户进行输入输出时，以文件为基本单位。
数据项：文件系统中最低级的数据组织方式。
记录：相关的数据项的集合。
文件：是指由创建者所定义的、具有文件名的一组相关元素的集合。

文件的属性：名称、类型、创建者、所有者、位置、大小、保护、创建时间及最后一次修改时间和最后一次存取时间。

文件的基本操作（都是系统调用）：创建文件、写文件、读文件、文件重定位、删除文件、截断文件。

文件的逻辑结构

无结构文件：将数据按顺序组织成记录并积累、保存，以字节为单位。
有结构文件：

• 顺序文件：记录一个接一个排列，记录通常是定长的，可以顺序存储或以链表方式存储。
• 索引文件：建立一张索引表，为主文件的每个记录在索引表中分别设置一个表项，包含指向变长记录的指针和记录长度，索引表按关键字排序，因此其本身也是一个定长记录的顺序文件。
• 索引顺序文件：将顺序文件的所有记录分为若干组，为顺序文件建立一张索引表，在索引表中为每组中的第一条记录建立一个索引项，其中含有该记录的关键字值和指向该记录的指针。
• 直接文件或散列文件

文件的物理结构

连续分配：要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。
链接分配：采用离散分配方式，消除了外部碎片，提高了利用率。

• 隐式链接（默认）：目录项中含有文件第一块的指针和最后一块的指针。每个文件对应一个磁盘块的链表；磁盘块分布在磁盘的任何地方，除最后一个盘块外，每个盘块都含有指向文件下一个盘块的指针，这些指针对用户透明。
• 显式链接：把用于链接文件各物理块的指针，从每个物理块的末尾提取出来，显式地存放在内存的一张链接表中。该表在整个磁盘仅设置一张，称为文件分配表FAT。每个表项中存放链接指针，即下一个盘块号。文件的第一个盘块号记录在目录项“物理地址”字段中，后续的盘块可通过FAT查到。

索引分配：将每个文件的所有的盘块号都集中放在一起构成索引表。

4.2 目录

FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。

目录结构

单级目录结构：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：将文件目录分为主目录文件和用户文件目录。主文件目录项纪录用户名及相应用户文件目录所在的存储位置。用户文件目录项纪录该用户文件的FCB信息。
树形目录结构：用户要访问某个文件时，用文件的路径名标识文件。
无环图目录结构：在树形目录结构的基础上增加一些指向同一节点的有向边。，使之便与共享。

文件共享

基于索引节点的共享方式（硬链接）：文件的物理地址及其他文件属性等信息，不再放在目录项中，而是放在索引节点中。文件目录中只设置文件名及指向相应索引节点的指针。在索引节点中还应有一个链接计数count，用于表示硬链接的数目。
利用符号链接实现文件共享（软链接）：由系统创建一个LINK类型的新文件，类似于快捷方式，依据路径去读取文件。

4.3 文件系统

文件系统提供高效和便捷的磁盘访问。
文件系统可能包括：启动存储在那里的操作系统的方式、总的块数、空闲块的数量和位置、目录结构以及各个具体文件。

• 主引导记录MBR：位于磁盘的0号扇区，用来引导计算机，MBR后面是分区表，给出每个分区的起始和结束地址。表中的一个分区被标记为活动分区，当计算机启动时，BIOS读入并执行MBR。MBR做的第一件事是确定活动分区，读入它的第一块，即引导块。
• 引导块：MBR执行引导块中的程序后，该程序负责启动该分区中的操作系统。
• 超级块：包含文件系统的所有关键信息，在计算机启动或者文件系统首次使用时，超级块会被载入内存。
• 文件系统中空闲块的信息可以使用位示图或指针链接的形式给出。

外存空闲分区管理：每个分区都可以有单独的文件系统。包含文件系统的分区通常称为卷。一个卷中，存放文件数据的空间和FCB的空间是分离的。
常用：空闲表法、空闲链表法、位示图法、成组链表法。

虚拟文件系统VFS：为用户程序提供了文件系统操作的统一接口，屏蔽了文件系统的差异和操作细节，采用了面向对象的思想。VFS在系统启动时建立，在系统关闭时消亡。

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