操作系统-笔记-第四章-文件管理

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四、第四章——文件管理

1、文件管理——基础概念

（1）文件结构

（2）操作系统提供的接口

（3）总结

2、文件的逻辑结构

（1）有结构文件（类似SQL表文件）

（2）顺序文件

（3）索引文件——类似（SQL索引）

（4）索引顺序文件（结合了顺序+索引）

（5）多级索引——（开始套娃啦~）

（6）总结

3、文件目录

（1）文件控制块

（2）单级目录结构（out）

（3）两级目录结构（out）

（4）树形目录结构（out）

（4）无环图目录结构

（5）索引结点

（6）总结

4、文件的物理结构

（1）连续分配（可以理解为malloc）

（2）链接分配（2种）——隐式链接

（2）链接分配（2种）——显式链接

（3）索引分配

（3）索引表太大——链接方案

（3）索引表太大——多层索引

（3）索引表太大——混合索引（最优解）

（4）还有一种方式（自己想的）

（5）总结

5、物理结构 & 逻辑结构

6、文件存储——空间管理

（1）存储空间的划分（文件卷）

（2）管理方法——空闲表法

（3）管理方法——空闲链表法

（3）管理方法——位示图法

（4）成组链表法（数组+链表）

（5）总结

7、文件的基本操作 （重点——打开+读）

（1）创建文件

（2）删除文件

（3）打开文件

（3）打开文件——打开文件表

（4）关闭文件

（5）读文件——读出外存

（6）写文件——写回外存

（7）总结

8、文件共享

（1）硬链接

（2）软链接 （Windows里面的快捷方式）

（3）总结

（4）硬链接和软链接的区别

9、文件保护

（1）口令保护

（2）加密保护

（3）访问控制

（4）总结

10、文件系统的层次结构

11、文件系统的全局结构

12、虚拟文件系统 

（1）统一接口

（2）下层的文件系统（需要实现特点功能，否则操作系统将不认~）

（3）iNode和Vnode

（4）文件系统的挂载（挂载到操作系统上）

13、磁盘的结构

（1）柱面号、盘面号、扇区号

（2）活动磁头、固定磁头

（3）可换磁盘、固定磁盘

14、磁盘调度算法（重点）

（1）读写操作——花费的时间

（2）先来先服务（绝对公平-简单）

（3）最短寻找时间优先（SSFT-贪心算法-有饥饿现象）

（4）扫描算法【SCAN】

（5）LOOK调度算法【LOOK】（边走边看）

（6）循环扫描算法【C-SCAN】

（6）C-LOOK调度算法【C-LOOK】

（7）总结

15、减少磁盘延迟时间的方法

（1）交替编号

（2）减少磁道移动

（3）不同盘片中的扇区-错位命名

（4）总结

16、磁盘管理

（1）磁盘初始化

（2）引导块

（3）损害的磁盘块

17、固态硬盘

（1）固态和机械

（2）结构

（3）寿命问题（不要担心玩坏~）

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四、第四章——文件管理

1、文件管理——基础概念

（1）文件结构

（2）操作系统提供的接口

（3）总结

2、文件的逻辑结构

（1）有结构文件（类似SQL表文件）

无结构——txt文件

有结构——SQL表文件

定长（char）——可变长（varchar）

（2）顺序文件

链式（不考察）

顺序（考察）——注意：他的增加和删除（开销比较大！但是串比较简单）

（3）索引文件——类似（SQL索引）

索引文件——类比——SQL中的索引

能够高效的进行检索——（空间换时间）

注意：你还要维护这个索引表（有额外的开销~）

（4）索引顺序文件（结合了顺序+索引）

创建的索引是进行分组过的——（这是一个折中的方法，结合前两者的优点）

相当于——先对全部数据进行【分组】——再把每一组的特点提出来——创建索引

（5）多级索引——（开始套娃啦~）

既然可以创建一次索引，那么就可以在索引的基础上，再创建一个~

（6）总结

3、文件目录

（1）文件控制块

（2）单级目录结构（out）

（3）两级目录结构（out）

（4）树形目录结构（out）

（4）无环图目录结构

有软链接，还有快捷链接~（这是实际应用中有的唉~）

（5）索引结点

把【目录项】再一次提取信息——创建【一个索引结点】——方便查找

类似——SQL索引（注意：这里也可以套娃~）

【创建了索引——空间换时间】——同时可以减少磁盘IO总数（就是减少了查找范围）

（6）总结

4、文件的物理结构

3种——连续、链接、索引

（1）连续分配（可以理解为malloc）

优点：速度快，可以直接找到【指定磁盘块】

缺点：拓展大小不方便，会产生很多【磁盘碎片】

结论:物理上采用连续分配的文件不方便拓展。

结论:物理上采用连续分配,存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片

可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。

（2）链接分配（2种）——隐式链接

方便拓展，但是只能顺序访问~

（2）链接分配（2种）——显式链接

创建一个索引表（文件分配表——FAT）

空间换时间（和索引一样）

为什么叫显式？为什么叫隐式？估计你也知道了

一个链接是放在每个内存块的屁股，一个是专门创建一个索引表~

但是：一个磁盘，他只会建立一张表！！！（然后开机就读入内存-常驻内存~）

一个磁盘中的所有文件，共用一张表！！！

（3）索引分配

每有一个文件——就为其专门创建一个索引表（太贴心了~）（可以随机访问）

显示就只有共用~

可见，索引分配方式可以支持随机访问。文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可)但是索引表需要占用一定的存储空间

（3）索引表太大——链接方案

把索引表分为多个就好啦~（因为你一个磁盘块放不下嘛~那分为几个部分就行了~）

文件太大——这个方案就很低效！！！

（对比一下，MySQL的【B+树索引】，貌似是这样的，狗头.jpg）

（3）索引表太大——多层索引

刚刚提到B+树索引，这里不就来了~（多级索引，树型索引，套娃开始~）

每一层索引，都可以存放不同的大小（2层-64MB，3层-16GB）

（3）索引表太大——混合索引（最优解）

前面几个——直接索引

中间几个——一级索引

后面几个——二级索引

如果还有——三级索引…（以此类推）

软考也考唉~~~（很熟悉，嘻嘻）

优点：灵活（IO次数适中）

小文件——直接索引

中型文件——（直接+二级）

大文件——（直接+二级+三级…）

（4）还有一种方式（自己想的）

在Java中，数组超过一定长度时，会自动转为红黑树

那么咱也可以自动切换，当你小于多少时，用直接索引，大于多少时，变为二级索引~

以此类推（临时的想法，虽经不住推敲，但是还是想记录下来~）

同时，咱要知道，索引方法还有其他的，不止这几张，长路漫漫，学无止境，加油！

（5）总结

5、物理结构 & 逻辑结构

一个是用户来操心（逻辑）

一个是操作系统来操心（物理）

互相独立，互不干扰

6、文件存储——空间管理

（1）存储空间的划分（文件卷）

（2）管理方法——空闲表法

和内存管理类似

如何分配空间？（有对应的算法）——参考【内存分配】

如何回收空间？（有没有相邻的空间，需要合并？）

（3）管理方法——空闲链表法

类似链表（适用于离散空间）

（3）管理方法——位示图法

离散和连续分配——都适用

被占用——为1

未使用——为0

（4）成组链表法（数组+链表）

注意分配+回收的方法【不容易考】

（5）总结

7、文件的基本操作 （重点——打开+读）

记住这些是单独进行的，只是软件把动作添加了而已

比如，你【打开文件】之后，就会自然有一个【读文件的】操作

这里把动作拆解开来，是方便理解每一步具体干了什么！

（1）创建文件

1、申请空闲空间—2、创建目录项——（索引表也得维护）

目录项——你可以理解为SQL创建了一条数据（里面包含他所有的信息）

但是内容是在外存里面的——他只是存储了对应的【磁盘块号】~

（2）删除文件

1、找到目录项——2、回收磁盘块 —— （索引表什么的~）

（3）打开文件

1、找到目录项——2、权限检测——3、将目录项+放入内存——3、【打开计算器】+1

（3）打开文件——打开文件表

打开计数器（用于数据共享）——设计一个【打开文件的总表】

（当文件要被删除时，就可以查看该表，是否打开~）

（4）关闭文件

1、打开文件表中【对应的表项】删除——2、内存资源回收——3、打开计算器-1

（如果为0，则直接删除对应的表项）

（5）读文件——读出外存

（6）写文件——写回外存

（7）总结

8、文件共享

（1）硬链接

硬链接是在文件系统中【创建多个文件名】指向【同一个文件的数据块】。

这些文件名在文件系统中被视为等同的，因为它们指向相同的数据块。

（2）软链接 （Windows里面的快捷方式）

（3）总结

硬链接和软链接的主要区别：

硬链接是指多个文件名指向同一个文件数据块，

软链接则是指一个特殊的文件，其中包含了指向另一个文件的路径。

硬链接通常用于在不同的目录中创建相同文件的多个副本，以节省存储空间。

软链接通常用于创建指向其他文件或目录的快捷方式，以方便用户访问。

（4）硬链接和软链接的区别

1、本质不同

硬链接：同一个文件，多个名称。

​软链接：不同的文件。

2、跨分区

硬链接：不支持跨分区。

软链接：支持跨分区。

3、目录

硬链接：不支持对目录创建。

​ 软链接：支持对目录创建。

4、相互关系

​ 硬链接：删除某一个硬链接，另一个硬链接不影响使用。

​ 软链接：原始文件和软链接有依赖关系，原始文件删了，软链接就失效了。

5、inode编号

​ 硬链接：inode编号是相同的。

​ 软链接：inode编号不同。

6、链接数

​ 硬链接：删除一个硬链接，硬链接的链接数会有变化。

​ 软链接：删除一个软链接，链接数不会有变化，删除的相当于是一个文件（或快捷方式）。

7、相对路径：原始文件路径

​ 硬链接：硬链接的相对路径，是相对的当前工作目录的相对路径。

​ 软链接：软链接的原始文件路径是，相对的软链接的相对路径，而不是相对当前工作目录。

8、文件类型

​ 硬链接：硬链接的文件类型是，原来是什么就是什么，例如：原来是普通文件，还是普通文件。

​ 软链接：软链接的文件类型是L

9、命令的实现不一样

​ 硬链接：ln

​ 软链接：ln -s

9、文件保护

（1）口令保护

保存在操作系统中，不够安全~

（2）加密保护

编码和译码，要花费额外时间（不过保密性不错~）

除了简单的异或加密之外，还有一些常用的文件加密保护算法。以下是其中几种：

1. 对称加密算法：对称加密使用相同的密钥来加密和解密数据。常见的对称加密算法包括 AES（高级加密标准）和DES（数据加密标准）等。
2. 非对称加密算法：非对称加密使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥用于加密数据，而私钥用于解密数据。常见的非对称加密算法包括 RSA 和 ECC（椭圆曲线加密）等。
3. 哈希函数：哈希函数将输入数据转换为固定长度的哈希值，通常是一个唯一的标识符。常见的哈希函数包括 SHA-256 和 MD5 等。虽然哈希函数本身不是加密算法，但它们常用于验证数据完整性和生成数字签名。
4. 混淆和编码：混淆和编码是通过改变数据的表示形式来隐藏其真实内容。常见的技术包括 Base64 编码和 URL 编码等。这些方法并不提供真正的加密，但可以用于隐藏敏感数据的原始格式。

（3）访问控制

大部分操作系统都支持控制访问（分组、给文件加权限…）

用户分组——Linux中就有（root用户可以建立分组，并把用户进行分组~）

还有chmod 修改文件权限~

Windows中，也可以设置权限~

（4）总结

10、文件系统的层次结构

例子：

用户使用—文件查询—权限查询—逻辑地址—物理地址—完成操作—空间重组

11、文件系统的全局结构

① Open（打开文件）——在目录缓存中查询文件

② 找到文件后——文件表信息更新

③ 在该进程中——新建信息（记录文件操作）【方便后续操作】

12、虚拟文件系统 

（1）统一接口

（2）下层的文件系统（需要实现特点功能，否则操作系统将不认~）

（3）iNode和Vnode

将【iNode】读入主存后，进一步封装，变为【vnode】，方便后续操作

PS：Vnode是iNode的加强版

目的：方便操作系统对文件进行操作

（4）文件系统的挂载（挂载到操作系统上）

比如：你插了一个U盘，U盘的文件就需要挂载到操作系统上~

1、注册到挂载表上，让【虚拟文件系统】发现【新的文件系统】

2、【新的文件系统】提供功能函数给【操作系统】

目的：方便【虚拟文件系统】操作。【类似：告诉他如何在本地实行各种权利】

3、把文件系统加入到【挂载点】

挂载后的截图：

13、磁盘的结构

 

         

（1）柱面号、盘面号、扇区号

（2）活动磁头、固定磁头

（3）可换磁盘、固定磁盘

14、磁盘调度算法（重点）

（1）读写操作——花费的时间

时间优化问题：

1、硬件——转速（延迟、传输）

2、软件（操作系统）——寻道时间——尽可能让磁头减少移动！！！

（2）先来先服务（绝对公平-简单）

（3）最短寻找时间优先（SSFT-贪心算法-有饥饿现象）

在一系列的磁道请求中，找到目前离他最短的磁道

（4）扫描算法【SCAN】

我愿称之为——【调头算法】~或者【老牛算法】

一条路走到头，才死心！（这是缺点）

（往一个方向走到头，才可以调头~）

（5）LOOK调度算法【LOOK】（边走边看）

边走边看【当前面没有需求时，就调头~】

（6）循环扫描算法【C-SCAN】

扫描算法的优化

原来的扫描——往返扫描（类似往返跑）

循环扫描是（只能从头到脚，不能再从脚到头）

目的：响应磁道平均~

（但是也有点呆板，需要加一个LOOK~边走边看）

（6）C-LOOK调度算法【C-LOOK】

循环扫描的加强版——边走边看~

（7）总结

其实，SCAN和LOOK差不多，C-SACN和C-LOOK差不多

都只是加了一个边走边看~

15、减少磁盘延迟时间的方法

相邻的扇区，无法连续读取（因为每读取一个扇区，就得处理数据）

要读下一个扇区，就等他在转一圈~

如何实现连续的读取呢？

（1）交替编号

把扇区交替编号~【给读取数据加一个间隔时间，来处理数据】

（2）减少磁道移动

磁盘编址方式——【磁道号，盘面号，扇区号】（不能随意换位置哟~）

连续地址都是从低位到高位

那么就可以【减少移动磁头】，【切盘】就行了~

（3）不同盘片中的扇区-错位命名

磁头不需要移动了，但是切盘后读取来不及，得错位命名

留出空闲时间，来处理数据

（4）总结

16、磁盘管理

（1）磁盘初始化

（2）引导块

（3）损害的磁盘块

17、固态硬盘

固态硬盘（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），又称固态驱动器，是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。

（1）固态和机械

（2）结构

（3）寿命问题（不要担心玩坏~）