第4章文件管理

王道学习

考纲内容

（一）文件

文件的基本概念：文件元数据和索引节点(inode)

文件的操作：建立，删除，打开，关闭，读，写

文件的保护；文件的逻辑结构；文件的物理结构

（二）目录

目录的基本概念；树形目录；目录的操作；硬链接和软链接

（三）文件系统

文件系统的全局结构(layout)：文件系统在外存中的结构，文件系统在内存中的结构

外存空闲空间管理办法；虚拟文件系统；文件系统挂载(mounting)

复习提示

本章内容较为具体，要注意对概念的理解。重点掌握文件系统的结构及其实现、文件分配和空闲空间管理等。要掌握文件系统的文件控制块、物理分配方法、索引结构、树形目录结构、文件共享原理、文件系统的布局、虚拟文件系统原理等。这些都是统考真题容易考査的内容。

4.1 文件的基本概念

文件(File)是以硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合，文件可以是文本文档、图片、程序等。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；而用户进行的输入、输出中，则以文件为基本的单位 。大多数应用程序的输入都是通过文件来实现的，其输出也都保存在文件中，以便信息的长期存储及将来的访问。当用户将文件用于程序的输入、输出时，还希望可以访问、修改和保存文件等，实现对文件的维护管理，这就需要系统提供一个文件管理系统，操作系统中的文件系统(File System)就是用于实现用户的这些管理要求的。

要清晰地理解文件的概念，就要了解文件究竟由哪些东西组成。

4.2 文件的逻辑结构

无结构文件

有结构文件

顺序文件

索引文件

索引顺序文件

直接文件或散列文件(Hash File)

4.3 文件的物理结构(文件分配方式)

前面说过，文件实际上是一种抽象数据类型，我们要研究它的逻辑结构、物理结构，以及关于它的一系列操作。文件的物理结构就是研究文件的实现，即文件数据在物理存储设备上是如何分布和组织的。同一个问题有两个方面的回答：一个是文件的分配方式，讲的是对磁盘非空闲块的管理；二是文件存储空间管理，讲的是对磁盘空闲块的管理(详见4.3节)。

文件分配对应于文件的物理结构，是指如何为文件分配磁盘块。常用的文分配方法有三种：连续分配、链接分配和索引分配。注意与文件的逻辑结构区分，从历年的经验来看，这是很多读者容易搞混的地方（读者复习完数据结构后，可以类比线性表、顺序表和链表之间的关系）。

类似于内存分页，磁盘中德存储单元也被分为一个个的块，称为磁盘块，其大小通常与内存的页面大小相同。内存与磁盘之间的数据交换（磁盘I/O）都是以块为单位进行的。

连续分配

链接分配

索引分配

4.4 目录的基本概念

FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项。与文件管理系统和文件集合相关联的是文件目录，它包括有关文件的属性、位置和所有权等。

首先来看目录管理的基本要求：从用户的角度看，目录在用户(应用程序)所需要的文件名和文件之间提供一种映射，所以目录管理要实现"按名存取"；目录存取的效率直接影响到系统的性能，所以要提高对目录的检索速度；在多用户系统中，应允许多个用户共享一个文件，因此目录还需要提供用于控制访问文件的信息。此外，应允许不同用户对不同文件采用相同的文件，以便于用户按自己的习惯给文件命名，目录管理通过树形结构来解决和实现。

4.5 文件控制块和索引节点

4.6 目录结构

单级目录结构

两级目录结构

树形目录结构

通常，每个用户都有各自的"当前目录"，登陆后自动进入该用户的"当前目录"。OS提供一个专门的系统调用，供用户随时改变"当前目录"。例如，在UNIX系统中，"/etc/passwd"文件就包含有用户登录时默认的"当前目录"，可用cd命令改变"当前目录"。

树形目录结构可以很方便地对文件进行分类，层次结构清晰，也能够更有效地进行文件的管理和保护。在树形目录中，不同性质、不同用户的文件，可以分贝呈现在系统目录树的不同层次或不同树中，很容易地赋予不同的存取权限。但是，在树形目录中查找一个文件，需要按路径名逐级访问中间节点，增加了磁盘访问次数，这无疑会影响查询速度。目前，大多数OS如UNIX、Linux和Windows系统都采用了树形文件目录。

无环图目录结构

4.无环图目录结构

树形目录结构能便于实现文件分类，但不便于实现文件共享，为此在树形目录结构的基础上增加一些指向同一节点的有向变，使整个目录成为一个有向无环图，如图4.15所示。这种结构允许目录共享子目录或文件，同一个文件或子目录可以出现在两个或多个目录中。

当某用户要求删除一个共享节点时，若系统只是简单地将它删除，则当另一个共享用户需要访问时，会因无法找到这个文件而发生错误。为此，可为每个共享节点设置一个共享计数器，每当图中增加对该节点的共享链时，计数器加1；每当某用户提出删除该节点时，计数器减1。仅当共享计数器为0时，才真正删除该节点，否则仅删除请求用户的共享链。

无环图目录结构方便地实现了文件的共享，但使得系统的管理变得更加负责。