考研408--操作系统--day11--文件管理&逻辑物理结构&目录&存储空间管理

（以下内容全部出自上述课程）

目录

• 初识文件管理
• • [1. 文件属性](#1. 文件属性)
  • [2. 文件数据怎么组织？](#2. 文件数据怎么组织？)
  • [3. 文件之间怎么组织？](#3. 文件之间怎么组织？)
  • [4. 操作系统应该提供哪些功能？](#4. 操作系统应该提供哪些功能？)
  • [5. 文件如何存放在外存？](#5. 文件如何存放在外存？)
  • [6. 其他](#6. 其他)
  • [7. 小结](#7. 小结)
• 文件的逻辑结构
• • [1. 无结构文件](#1. 无结构文件)
  • [2. 有结构文件](#2. 有结构文件)
  • • [2.1 顺序文件](#2.1 顺序文件)
    • [2.2 索引文件](#2.2 索引文件)
    • [2.3 索引顺序文件](#2.3 索引顺序文件)
    • [2.4 多级索引顺序文件](#2.4 多级索引顺序文件)
  • [3. 小结](#3. 小结)
• 文件目录
• • [1. 文件控制块](#1. 文件控制块)
  • [2. 目录结构](#2. 目录结构)
  • • [2.1 单级目录结构](#2.1 单级目录结构)
    • [2.2 两级目录结构](#2.2 两级目录结构)
    • [2.3 多级目录结构](#2.3 多级目录结构)
    • [2.4 无环图目录结构](#2.4 无环图目录结构)
  • [3. 索引结点](#3. 索引结点)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• 文件的物理结构
• • [1. 文件块、磁盘块](#1. 文件块、磁盘块)
  • [2. 文件分配方式](#2. 文件分配方式)
  • • [2.1 连续分配](#2.1 连续分配)
    • [2.2 隐式链接](#2.2 隐式链接)
    • [2.3 显式链接](#2.3 显式链接)
    • [2.4 索引分配](#2.4 索引分配)
  • [3. 小结](#3. 小结)
• [逻辑结构 vs 物理结构](#逻辑结构 vs 物理结构)
• • [1. 无结构文件](#1. 无结构文件)
  • • [1.1 逻辑结构](#1.1 逻辑结构)
    • [1.2 物理结构](#1.2 物理结构)
  • [2. 顺序文件](#2. 顺序文件)
  • • [2.1 物理结构](#2.1 物理结构)
    • [2.2 逻辑结构](#2.2 逻辑结构)
  • [3. 索引文件](#3. 索引文件)
  • • [3.1 逻辑结构](#3.1 逻辑结构)
    • [3.2 物理结构](#3.2 物理结构)
  • [4. 小结](#4. 小结)
• 文件存储空间管理
• • [1. 存储空间的划分与初始化](#1. 存储空间的划分与初始化)
  • [2. 存储空间管理](#2. 存储空间管理)
  • • [2.1 空闲表法](#2.1 空闲表法)
    • [2.2 空闲链表法](#2.2 空闲链表法)
    • [2.3 位示图法](#2.3 位示图法)
    • [2.4 成组链接法（了解）](#2.4 成组链接法（了解）)
  • [3. 小结](#3. 小结)

初识文件管理

1. 文件属性

我们正常使用电脑中的文件管理器，里面就放着我们日常使用的文件。

每个文件你点开他，都能看见一大堆的信息。

同一个文件夹下的文件不能重名 ，因为我们都是根据文件名来区分哪个文件是哪个文件的。

2. 文件数据怎么组织？

• 无结构文件=流式文件：就类似于你直接建了一个文本文件在里面打字。
• 有结构文件=记录式文件：就类似于你建立了一个excel文件。
• 数据项：excel中的一个小格子。
• 记录 ：excel中的一行。
  
  因为有结构文件有很多种存放方式，比如顺序啊链式啊什么的，我们之后就要讨论用哪种存放方式存数据。
  

3. 文件之间怎么组织？

文件间就是我们说的C盘D盘，哪个文件夹包含哪个文件夹。

4. 操作系统应该提供哪些功能？

• 创建文件：我们平时右击桌面就可以新建文件，底层是操作系统帮我们调用函数创建的新文件。
• 读文件：双击打开文件的时候，也是操作系统调用函数帮助我们打开的文件。
• 写文件：我们在文件中打字，也是操作系统调用底层函数帮我们写上数据的。
• 删除文件 ：同上，只不过我们不知道操作系统帮助我们实现功能而已。
  
  通过这几个比较基础的功能，就可以叠加实现更加复杂的功能。
  比如说复制文件的本质就是新建文件，读入原文件内容，再写入同样的内容。
  

5. 文件如何存放在外存？

存入外存，这就涉及到了物理地址。（物理就是摸得到的东西，比如硬盘就可以摸到）

• 操作系统把存储空间分成了一块一块的空间用来存储数据。（所以一个大房子被一个人住也是占了一个大房子的面积）
• 内存-->外存，这就涉及到了逻辑地址与物理地址映射的问题，怎么找到数据...神马的。
• 映射问题大差不差，具体可见：基本地址变换机构
• 为了便于外存和内存一一对应，所以大致来看，两者差不多。
  
  很多块，就会出现连续不连续的问题，就会出现碎片的问题，还会涉及到文件怎么存的问题。
  具体和内存大差不差，具体可见：连续分配管理方式
  

6. 其他

7. 小结

文件的逻辑结构

1. 无结构文件

无结构，没什么好讨论的，所以重点在下文的有结构的文件上。

2. 有结构文件

• 关键字：就是不能重复的字段，类似于学号啊什么的。
• 数据项：就是一个格子，格子里面记录的数据。
• 记录 ：就是一行格子。
  
• 定长记录 ：类似于我们用mysql建立表的时候添加的固定字长。（比如电话只能11位）
  
• 可变长记录 ：比如图中的特长，有的人可以有很多，有的人可以没有。
  
  逻辑结构上可以分为这三种：
• 顺序文件：像日记本，只能从头翻；
• 索引文件：像带目录的电话本，一查就找到；
• 索引顺序文件 ：索引顺序文件：像分类快递柜，先找区再找人。
  

2.1 顺序文件

• 链式存储：比如一堆乱序但是标了页码的文件。

• 顺序存储：比如你写日记，只能写完今天的才能再写明天的。

• 串结构：按时间排序。

• 顺序结构 ：按关键字排序。（比如学号的大小一直都是确定的）
  

  提到顺序文件，基本都默认是使用顺序存储的，所以把链式存储pass掉。

• 可变长记录：比如你的日记一天长一天短，就没办法根据天数判断出第n天是第几页。

• 定长记录：你规定日记只能一天写一页，这样就可以根据天数找到页数。

• 串结构：如果你这一天突然想修改前一天的日记，按照时间排序，昨天的就排到今天的后面了，有误差所以无法快速找出。

• 顺序结构：你给每篇日记按照第n天编号为n，所以就可以快速找到这天的笔记了。

缺点 ：因为都是按照顺序来的，所以你的日记就没办法很方便地在两天中间再添加其他内容了。

2.2 索引文件

• 索引文件：比如一本书。
• 索引表-定长：这本书的目录。

缺点：如果这本书非---常厚，那么目录也就只能变得特----别长。

2.3 索引顺序文件

就是上面两种的结合。

• 索引顺序文件：超厚大书超详细目录。

• 索引表 ：把超厚大书过于详细的目录通过分组整合成小的目录。

• 顺序体现：小目录下的详细目录是顺序排列的。（如图第二列的表）

• 索引体现 ：小目录是详细目录的索引。
  

• 顺序文件：（最好1次找到+最差10000次找到）/2次查找次数=平均查询5000次

• 索引顺序文件 ：10000分为100组100个记录。

  先找组：（最好1次找到+最差100次找到）/2次查找次数=平均查询50次

  再找具体记录：（最好1次找到+最差100次找到）/2次查找次数=平均查询50次

  所以相加就是平均100次才能找到想要的记录。

• 更多记录怎么办？ ：答案是套娃！
  

2.4 多级索引顺序文件

纯套娃：

• 第一列：相当于书上的章
• 第二列：相当于书上的节
• 第三列：相当于书上的x.x.x节
  

3. 小结

文件目录

1. 文件控制块

目录 ：有结构文件，所以也可以用表格的形式表现出来。

因为我们之前说过我们都是按照名字来找文件的，所以这里文件名就相当于是关键字 。

• FCB ：记录=一行，就是一个文件控制块。
  
  这里对标上文的操作系统提供的功能，反正都是创建删除等的操作。
  

2. 目录结构

2.1 单级目录结构

类似于一个盘只让你建立平级的文件夹，不可以在文件夹里再建文件夹。

这样就只能一个用户用，因为根本区分不了用户的不同，而且一个用户这么用也不是很便利。

2.2 两级目录结构

一个用户自己相当于一个文件夹，他自己也只能建立平级文件夹。

虽然能够分出不同用户使用，但是对于用户来说还不是很便利。

2.3 多级目录结构

就是现在我们用的目录结构，文件夹随便儿建，只要不在同一个文件夹里就可以重名。

• 绝对路径 ：只能从根目录开始往下找。
  
• 相对路径 ：可以根据当前目录的位置来寻找文件。
  

2.4 无环图目录结构

之前的目录结构无法实现两个不同的用户可以访问同一个内容，所以又出现的无环图目录结构。

两个用户的FCB可以同时指向同一个文件，这样这两个用户打开自己的这个文件时，访问到的都是被指向的文件。

• 共享计数器 ：表示这个文件被几个人共享。
  如果一个用户删除了自己共享的这个文件，源文件并不会被删除，只是把用户电脑上的映射删掉了，同时共享计数器-1.
  如果有用户修改了这个文件，其他用户也能看见被修改的内容。（有点儿像在线文档）
  

3. 索引结点

因为FCB这一行中包含的内容太多了，很多内容是我们用户用不到的，所以就可以把这个表头精简一下，这样搜索速度就可以更快了。

4. 小结

文件的物理结构

1. 文件块、磁盘块

内存的内容，具体可见：内存

• 用户：比如你编写代码像输出a的值。（逻辑地址）
• 操作系统 ：根据逻辑地址转为物理地址，找到这个值，把值返回给你。
  

2. 文件分配方式

2.1 连续分配

空闲块连在一起。

• 逻辑地址-->物理地址：
  物理块号=起始块号+逻辑块号-->不可能从头开始就有连续位置，所以需要加上起始块号
  块内地址：因为内存和外存分的块大小相同，所以不用变。
  类似于：你从逻辑搬家搬到物理，就变了个房子位置，但是里面的装修还都是一样的。
• 支持顺序访问和直接访问
  
  因为连在一起，所以读写都很方便。
  
  如果一个占了3个块的文件想要再添一个块的数据，但是它后面没有空闲块了，因为必须连续分配，所以就必须先把前3块复制到后面有4个连续空闲块的位置，然后再把想新添的内容填到后面的空闲块上。
  无论如何：必须保持连续！
  
  因为太依赖连续了，所以肯定有很多零零散散的空闲块，就很浪费空间，如果想把他们紧凑移到一起还很浪费时间。
  
  

2.2 隐式链接

空闲块用指针链接在一起，很好地解决了空闲块分散的问题。

• 指针透明：就是用户看不见指针，所以才叫隐式链接。
• 因为用户都不知道哪儿指向哪儿，所以只支持顺序访问，不支持直接访问（也就是随机访问）
  
  想拓展文件，就直接放进一个空闲块里然后用指针链接上就可以，避免了空闲块的空间浪费问题。
  
  

2.3 显式链接

多了一个FAT表，知道谁指向谁了，所以叫做显式链接。

知道每块指向的下一块是哪块之后，就支持直接访问了。

2.4 索引分配

有索引两个字一定会有索引表，索引块就是索引表放在了哪块里，就直接去那块找目录查自己想要的文件在哪个物理块里。

因为可以直接找到物理块号，所以也支持直接访问。

如果索引表太大，一块装不下怎么办？

又是套娃，链接：

• 分好几个索引块，把索引块链接起来
  
  纯套娃：
• 章-节-小节的分法
  
  顶级索引未读入内存，就需要K+1次读磁盘操作。
  
  混合（大一统）：
• 直接+间接
• 直接：就一查就查到索引了
• 一级间接：得查两次
• 二级间接：得查三次
• 当然，如果顶级索引没被读入内存，每种都需要+1次读磁盘
  
  

3. 小结

逻辑结构 vs 物理结构

1. 无结构文件

1.1 逻辑结构

逻辑结构就是我们能看的到的

我们数到第16个字符是o，想用代码显示出来

16就是逻辑地址，所以最后输出的也是o

1.2 物理结构

物理结构就是操作系统看到的

它调用函数才知道我们要的东西在什么位置，然后才能调出来给我们

2. 顺序文件

2.1 物理结构

可以把操作系统看成商家，对于商家来讲，可以有很多种方式放货物。

连续分配：

• 类似于按照供货商分配货物
  
  链接分配：
• 类似于有空我就塞进去，先不浪费空间，位置记上就好
  
  索引分配：
• 类似于我都随便儿塞，但是我有记录哪里是哪里就好
  

2.2 逻辑结构

切换到我们的视角:

• 顺序存储：我们看得到商家按编号给我们发出货物，刚好按顺序到
• 链式存储：我们看得到商家发出的货物根据运输速度不同，到达的顺序也不同，但是编号还是在的
• 但是对我们来说，我们看不到商家的货都放在哪里对吧
  
• 这个就是凑巧了，我们用链式商家也是链接分配
  

3. 索引文件

3.1 逻辑结构

我们看到的是目录是目录，货物是货物

3.2 物理结构

操作系统看到的是：拆完了全塞进货架

4. 小结

• 逻辑结构：我们看得到的，文件对我们来说看得见，所以逻辑结构都是XX文件
• 物理结构 ：操作系统决定自己的货物怎么分配，所以都是XX分配、XX链接
  

文件存储空间管理

1. 存储空间的划分与初始化

就是划分C盘、D盘。

2. 存储空间管理

2.1 空闲表法

首次适应等算法，具体可见：动态分区分配算法

• 空闲表法 ：连续的空闲块组成一个区。
  
  

2.2 空闲链表法

• 空闲盘块链：按块连起来
• 空闲盘区链 ：把连续的块变为区连在一起
  
  
  

2.3 位示图法

0表示空闲，1表示已分配。

每15块为一组（第一行），以此类推。

2.4 成组链接法（了解）

3. 小结