【操作系统】文件管理——文件存储空间管理（个人笔记）

学习日期：2024.7.17

内容摘要：文件存储空间管理、文件的基本操作

---

在上一章中，我们学习了文件物理结构的管理，重点学习了操作系统是如何实现逻辑结构到物理结构的映射，这显然是针对已经存储了文件的磁盘块的，那么，操作系统又是如何管理空闲磁盘块的呢？

文件存储空间管理

存储空间的划分与初始化

在安装Windows操作系统的时候，我们要将磁盘分区，有时候我们只有一个硬盘，但是能分出来CDE三个区，这是因为分区的过程是将物理磁盘划分为逻辑盘 。

存储空间会把每个盘分成目录区和文件区，目录区主要用于存放FCB等用于磁盘存储空间管理的信息，文件区用于存放文件数据。

空闲表法

适用于连续分配方式，如下图

 就是用一个表记录从哪里开始有多少个连续空闲块，分配和回收的方法也和内存管理中的连续分配方式类似，可以用几种算法决定如何分配。（链接：连续分配方式）需要专门注意的就是回收区前后都是空闲区时，要合并前后的表项

空闲链表法

空闲链表法又可以分成空闲盘块链和空闲盘区链，二者的核心区别在于链表的“节点”是单独的盘块还是由连续空闲盘块组成的盘区。

​

不论那种方式，操作系统都会保存链头和链尾的指针。

如果是使用空闲盘块链，当需要K个磁盘块时，从链头开始依次“取下”K个磁盘块 ，并修改链头指针，当回收磁盘块时，将空闲的盘块挂到链尾。显然，这种方式可以适用于离散分配的物理结构。

当使用空闲盘区链时，与空闲表法类似，同样可以用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，根据算法规则找出一个合适的空间分配给文件，只不过是空间由表格保存变为了用链表保存。

位示图法

其实就是用二进制位来表示盘块是否已分配，分配的是1，空闲的是0，用字号和位号来推算出盘块号。其实也算是某种表格，用（i，j）表示字号位号，像十字座标一样，确定一个盘块。

​​

当盘块号，字号，位号都从0开始，字长为n时，（字号，位号）=（i，j）对应的盘块号 b=n*i+j

b号盘块对应的字号i=b/n 取整数部分                   位号 j =b%n

如何分配：若文件需要K个块，先顺序扫描位示图，找到K个"0"，再根据字号和位号算出对应的盘块号分配出去，最后把"0"改成"1"即可。

成组链接法

空闲表法和空闲链表法在保存大文件时并不好用，因为空闲表或链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法来对磁盘空闲块进行管理。文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，当系统启动时将超级块读入内存。

超级块中记录下一组空闲盘块数和空闲块号，超级块连着下一组超级块，直到尽头用-1等特殊值表示没有下一组。每个分组的空闲盘块数目上限是一定的，图中是100个。

​

 每个分组的块号不需要连续，例子中是为了便于看出数量。

如何分配：若文件需要K个块，首先检查第一个分组的块数是否足够，不够则检查下一组，当检查到足够的分组时，分配空闲块，并修改分组的空闲块个数和块号。

当一个分组的块数全部用完后，要把下一个分组的信息存到其前置节点，类似链表删除节点，要把next节点接到前一个节点。

如何回收：若分组没满，只需要把回收的块号放入分组，并修改分组的空闲块个数和块号。若分组已经满了，则将超级块中的数据复制到新回收的块中，并修改超级块的内容，让新回收的块成为第一个分组。（类似链表头插法）

文件的基本操作

创建文件（Create系统调用）

进行Create系统调用时，需要提供：

1.所需的外存空间大小

2.文件存放路径（如 D:/demo）和文件名

操作系统在进行Create系统调用时，主要做了：

1.在外存中找到文件所需的空间并分配。（上一部分的内容）

2.根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件，然后创建该文件对应的目录项。

删除文件（Delete系统调用）

进行Delete系统调用时，需要提供：

1.文件存放路径和文件名

操作系统在进行Delete系统调用时，主要做了：

1.根据路径找到相应的目录文件，从目录中找到对应的目录项

2.根据文件存放路径的信息找到文件在外存中的存放位置、文件大小等信息，回收磁盘块。（回收时，根据使用管理策略的不同，用不同的方法，参考上面的内容）

3.从目录表中删除对应的目录项。

打开文件（Open系统调用）

进行Open系统调用时，需要提供：

1.文件存放路径和文件名

2.要对文件进行的操作类型（如 r只读，rw读写等等）

操作系统在进行Open系统调用时，主要做了：

1.根据路径找到相应的目录文件，从目录中找到对应的目录项，检查用户是否有相应的操作权限。

2.将目录项复制到内存中的“打开文件表”中，并将对应表目的编号返回给用户，之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件。

 把每个进程的打开文件表整合，就是整个系统的打开文件表，它可以方便实现某些文件管理的功能。比如说，有时候我们想删除某个文件时，操作系统会提示我们“暂时无法删除，因为该文件正在被xxx占用”，这其实就是操作系统检查了打开文件表，发现有进程正在使用该文件。

关闭文件（Close系统调用）

操作系统在进行Open系统调用时，主要做了：

1.将进程的打开文件表相应表项删除

2.回收分配给该文件的内存空间等资源

3.系统打开文件表的打开计数器count-1，若count=0 删除表项。

读文件（Read系统调用）

进行Read系统调用时，需要提供：

1.要读的文件

2.读入的数据和在内存中放入的位置

操作系统在处理read系统调用时，会从读指针指向的外存中，将用户直到大小的数据读入用户指定的内存区域中。

写文件（Write系统调用）

进行Read系统调用时，需要提供：

1.要读的文件

2.要写出的数据和要写出的数据放在内存中的位置

操作系统在处理read系统调用时，会从读指针指向的内存中，将用户直到大小的数据读入用户指定的外存区域中。

---

感谢您看到这里，如果满意的话麻烦您点个赞支持一下，个人主页还有更多内容分享。

个人能力不足，如有错漏还请指出，我会尽快修改。

内容总结自王道计算机考研《操作系统》 和 人民邮电出版社《操作系统导论》