DJ6-1/2/3 文件系统

目录

6.1  文件系统概述

6.1.1  文件、记录和数据项

6.1.2  文件类型

6.1.3  文件系统模型

6.1.4  对文件的操作

6.2  文件的逻辑结构

6.2.1  文件逻辑结构的类型

6.2.2  顺序文件（Sequential File）

6.2.4  索引文件（Index File）

6.2.5  索引顺序文件（Index File）

6.2.6  直接和哈希文件

6.3  文件的物理结构

6.3.1  连续分配

6.3.2  链接分配

6.3.3  索引分配

---

 

6.1  文件系统概述

1、文件系统的定义

文件系统：是指操作系统中的

1. 各类文件
2. 管理文件的软件
3. 管理文件所涉及到的数据结构

等信息的集合。

2、文件系统的结构

 

3、文件系统的功能

• 有效地管理文件的存储空间
• 管理文件目录
• 完成文件的读/写操作
• 实现文件共享与保护
• 为用户提供交互式命令接口和程序调用接口

6.1.1  文件、记录和数据项

 

6.1.2  文件类型

6.1.3  文件系统模型

文件系统概念：文件和对文件进行操纵和管理的软件集合

文件系统模型分为三个层次

 

6.1.4  对文件的操作

open( )：打开一个文件，并指定访问该文件的方式，调用成功后返回一个文件描述符。

creat ( ) ：打开一个文件，如果该文件不存在，则创建它，调用成功后返回一个文件描述符。

close ( ) ：关闭文件，进程对文件所加的锁全都被释放。

read ( ) ：从文件描述符对应的文件中读取数据，调用成功后返回读出的字节数。

write ( ) ：向文件描述符对应的文件中写入数据，调用成功后返回写入的字节数。

6.2  文件的逻辑结构

对于任何一个文件，都存在着以下两种形式的结构：

• 文件的逻辑结构，又称文件组织，是用户可以直接处理的数据及其结构。
• 文件的物理结构，又称文件的存储结构，是指文件在外存上的存储组织形式。

6.2.1  文件逻辑结构的类型

6.2.2  顺序文件（Sequential File）

1、逻辑记录的排序

 

2、对顺序文件的读/写操作

① 对定长记录的顺序文件的读写

读指针 Rptr：

• 读指针指向下一个要读的记录的首地址
• 每读完一条记录，指针做相应的修改

Rptr = Rptr + L

写指针 Wptr：

• 写指针指向下一个要写的记录的首地址  
• 每写完一条记录，指针做相应的修改

Wptr = Wptr + L

其中，L 为定长记录的长度。

② 对变长记录的顺序文件的读写

• 设置读写指针
• 每个记录的长度存放在该记录之前的单元中
• 每完成一次读写，读写指针加上刚读或写完的记录的长度 Li

③ 首地址的计算

 

6.2.4  索引文件（Index File）

检索步骤：

1. 根据用户提供的关键字，使用折半查找法查找相关表项
2. 根据该表项中的指针值，访问该记录
3. 增加新记录时，需要修改对应的索引表

索引文件的检索速度较快，但需要存储。

6.2.5  索引顺序文件（Index File）

检索步骤：

1. 根据用户提供的关键字，以某种查找方法查找该组对应的表项
2. 根据该表项中的指针值，得到该组第一个记录在主文件中的位置
3. 再利用顺序查找法扫描主文件，在对应的分组中查找要求的记录

6.2.6  直接和哈希文件

直接文件：根据给定的关键字值，直接获得指定记录的物理地址。

• 关键字值本身就决定了记录的物理地址
• 这种由关键字值到记录物理地址的转换被称为键值转换

组织直接文件的关键，在于用什么方法进行从关键字值到物理地址的转换。

6.3  文件的物理结构

操作系统或者说文件管理系统负责为文件分配和管理数据块：

• 从逻辑组织的角度看，文件由若干记录组成
• 从物理组织的角度看，文件由若干数据块组成

接下来需要解决的问题：

1. 如何划分磁盘空间？
2. 如何为一个新建文件分配空间？
3. 如何为一个已存在的文件增加存储空间？
4. 用什么数据结构记载文件已分配到的数据块和空闲数据块？

外存的组织方式

为文件分配外存空间时所要考虑的主要问题是：怎样才能有效地利用外存空间和如何提高对文件的访问速度。

目前，常用的外存分配方法有:

• 连续分配
• 链接分配
• 索引分配

6.3.1  连续分配

连续分配：为每个文件分配一组相邻接的盘块。即把逻辑文件中的数据顺序地存储到物理上邻接的各个盘块中，这样形成的物理文件可以进行顺序存取。

一组盘块的地址定义了磁盘上的一段线性地址。

 

6.3.2  链接分配

当将一个逻辑文件存储到外存上时，并不要求为整个文件分配一块连续的空间，而是可以将文件装到多个离散的盘块中。

链接分配：通过每个盘块上的链接指针，将同属于一个文件的、多个离散的盘块链接成一个链表。把通过这种方式形成的物理文件称为链接文件。

1、隐式链接

2、显式链接

两者的区别在于：

• 隐式链接的指针存放在每个盘块中
• 显式链接的指针存放在文件分配表 FAT 中

 

 

6.3.3  索引分配

链接分配方式虽然解决了连续分配方式所存在的问题， 但又出现了另外两个问题：

① 不能支持高效的直接存取：在对一个较大文件进行直接存取时，必须首先在 FAT 中顺序查找许多盘块号。

② FAT 需占用较大的内存空间：由于一个文件所占用盘块的盘块号是随机地分布在 FAT 中的，因而只有将整个 FAT 调入内存，才能保证在 FAT 中找到一个文件的所有盘块号。

1、单级索引分配

原理：

• 给每个文件分配一个索引块
• 索引块就是一个盘块，用于记录分配给该文件的所有盘块号
• 在建立一个文件时，只需在对应目录项中填上指向该索引块的指针
• 该目录项是在文件创建时新建的

优点：

• 支持直接访问：可直接从索引块中找到第 i 个盘块的盘块号
• 不会产生外碎片：由于不需连续分配，因此每个盘块都能被分出去

存在的问题：

可能需要花费较多的外存空间。每当建立一个文件时，便需为之分配一个索引块。对于小文件如果采用这种方式，索引块的利用率将是极低的。极端情况：每个文件的文件内容只会占用一个盘块，那么外存空间的利用率将只有 50%！

2、两级索引分配

当 OS 为一个大文件分配磁盘空间时，会增加许多索引块。当文件太大，其索引块太多时，这种方法是低效的。解决办法：两级索引分配方式。

设文件系统采用两级索引分配方式，如果每个磁盘块的大小为1KB，每个盘块号占4B，则单
个文件的最大长度是多少？

解：每个盘块可有1KB/ 4B=256个索引项，则两级索引下单个文件最大长度：256*256*1KB=64MB

3、增量式索引分配（混合索引方式）

在 UNIX System V 的索引结点中设有 13 个地址项，包含：i.addr(0) ~ i.addr(12) 。

• i.addr(0)～i.addr(9)：直接地址
• i.addr(10)：一次间接地址
• i.addr(11)：二次间接地址
• i.addr(12)：三次间接地址

在考试中，题干中给出的地址组织方式可能与 UNIX System V 的不同，请注意！

问题（10分）：存放在某个磁盘上的文件系统，对于采用混合索引分配方式，其 FCB 中共有 13 项地址项，第 0~9 个地址项为直接地址，第 10 个地址项为一次间接地址，第 11 个地址项为二次间接地址，第 12 个地址项为三次间接地址。如果每个盘块的大小为 512 字节，盘块号需要 3 个字节来描述，则每个盘块最多存放 170 个盘块地址：

(1)  该文件系统允许的最大长度是多少？

10*512+170*512+170^2*512+170^3*512=2471040KB

(2) 将文件的字节偏移量 5000、15000、150000 转换为物理块号和块内偏移量。

• 5000/512=9  5000%512=392  FCB 的第 9 个地址
• 15000/512=29  15000%512=152  一次间址块中的第 19 项
• 150000/512=292  150000%512=496  二次间址块中的第一块的第 112 项

(3) 假设某文件的索引结点已在内存中，但其它信息均在外存，为了访问该文件中某个位置的内容，最多需要几次访问磁盘？

最多需要 4 次访问磁盘：

• 第一次是读三次间址块
• 第二次是读二次间址块
• 第三次是读一次间址块
• 第四次是是读文件盘块