文件管理——操作系统笔记

一、初识文件管理

  文件：就是一组有意义的信息/数据集合。

• 计算机中存放了各种各样的文件，一个文件有哪些属性？
• 文件内部的数据应该怎样组织起来？
• 文件之间应该怎么组织起来？
• 从下往上看，OS 应提供哪些功能，才能方便用户、应用程序使用文件？
• 从上往下看，文件数据应该怎么存放在外存（磁盘）上？

1、文件的属性

• 文件名：由创建文件的用户决定文件名，主要是为了方便用户找到文件，同一目录下不允许有重名文件；
• 标识符：一个系统内的各文件标识符唯一，对用户来说毫无可读性，因此标识符只是操作系统用于区分各个文件的一种内部名称；
• 类型：指明文件的类型；
• 位置：文件存放的路径（让用户使用）、在外存中的地址（操作系统使用，对用户不可见）；
• 大小：指明文件大小；
• 保护信息：对文件进行保护的访问控制信息；
• 其他：创建时间、上次修改时间、文件所有者信息等。

2、文件内部的数据应该怎样组织起来？

• 无结构文件：由一些二进制或字符流组成，又称“流式文件”。如：文本文件。
• 有结构文件：由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”。如数据库表。
  • 记录是一组相关数据项的集合；
  • 数据项是文件系统中最基本的数据单位。

3、文件之间应该怎样组织起来？

4、操作系统应该向上提供哪些功能？

• 创建文件（create 系统调用）；
• 删除文件（delete 系统调用）；
• 读文件（read 系统调用）：将文件数据读入内存，才能让 CPU 处理；
• 写文件（write 系统调用）：将更改过的文件数据写回外存；
• 打开文件（open 系统调用）：读/写文件之前，需要“打开文件”；
• 关闭文件（close 系统调用）：读/写文件结束之后，需要“关闭文件”。

  可用几个基本操作完成更复杂的操作，比如：“复制文件”，先创建一个新的空文件，再把源文件读入内存，再将内存中的数据写到新文件中。

5、从上往下看，文件应如何存放在外存？

  与内存一样，外存也是由一个个存储单元组成的，每个存储单元可以存储一定量的数据。每个存储单元对应一个物理地址。

  类似于内存分为一个个“内存块”，外存会分为一个个“块/磁盘块/物理块”。每个磁盘块的大小是相等的，每块一般包含 2 的整数幂个地址（如：一块包含 $ 2^{10}$ 个地址，即 1KB）。同样类似的是，文件的逻辑地址也可以分为（逻辑块号，块内地址），操作系统同样需要将逻辑地址转换为外存的物理地址（物理块号，块内地址）的形式。块内地址的位数取决于磁盘块的大小。

  操作系统以“块”为单位为文件分配存储空间（如：每个存储单元 1B，每块 1024 个存储单元），因此即使一个文件大小只有 10B，但它依然需要占用 1KB 的磁盘块。外存中的数据读入内存时同样以块为单位。

6、其他需要由操作系统实现的文件管理功能

• 文件共享：使多个用户可以共享使用一个文件。
• 文件保护：如何保证不同的用户对文件有不同的操作权限。

7、总结

二、文件的逻辑结构

  所谓的“逻辑结构”，就是指在用户看来，文件内部的数据应该是如何组织起来的。而“物理结构”指的是在操作系统看来，文件的数据是如何存放在外存中的。

• 无结构文件：文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成。又称“流式文件”。如： Windows 操作系统中的 .txt 文件。文件内部的数据其实就是一系列字符流，没有明显的结构特 性。因此也不用探讨无结构文 件的“逻辑结构”问题。
• 有结构文件：由一组相似的记录（定长记录，可变成记录）组成，又称“记录式文件”。每条记录由若干个数据项组成。如：数据库表文件。一般来说，每条记录有一个数据项可作为关键字（作为识别不同记录的ID）。
  • 顺序文件；
  • 索引文件；
  • 索引顺序文件。

1、顺序文件

  顺序文件：文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。

  缺点：对于可变长记录文件，要找到第 i 个记录，必须先顺序第查找前 i-1 个记录，但是很多应用场景中又必须使用可变长记录。如何解决这个问题？索引文件。

2、索引文件

  索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第 i 个记录对应的索引项。可将关键字作为索引号内容，若按关键字顺序排列，则还可以支持按照关键字折半查找。每当要增加/删除一个记录时，需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度，因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合。

  另外，可以用不同的数据项建立多个索引表。如：学生信息表中，可用关键字“学号”建立一张索引表。也可用“姓名”建立一张索引表。这样就可以根据“姓名”快速地检索文件了。

  缺点：每个记录对应一个索引表项，因此索引表可能会很大。 比如：文件的每个记录平均只占 8B，而每个索引表项占 32 个字节，那么索引表都要比文件内容本身大 4 倍，这样对存储空间的利用率就太低了。

3、索引顺序文件

  索引顺序文件是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中，同样会为文件建立一张索引表，但不同的是：并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。每个分组就是一个顺序文件，分组内的记录不需要按关键字排序。

（1）检索效率分析

  用这种策略确实可以让索引表“瘦身”，但是是否会出现不定长记录的顺序文件检索速度慢的问题呢？

  若一个顺序文件有 10000 个记录，则根据关键字检索文件，只能从头开始顺序查找（这里指的并不是定长记录、顺序结构的顺序文件），平均须查找 5000 个记录。

  若采用索引顺序文件结构，可把 10000 个记录分为 $ \sqrt{10000}=100$ 组，每组 100 个记录。则需要先顺序查找索引表找到分组（共 100 个分组，因此索引表长度为 100，平均需要查 50 次），找到分组后，再在分组中顺序查找记录（每个分组 100 个记录，因此平均需要查 50 次）。可见，采用索引顺序文件结构后，平均查找次数减少为 50+50=100 次。

  同理，若文件共有 $ 10^6$ 个记录，则可分为 1000 个分组，每个分组 1000 个记录。根据关键字检索一个记录平均需要查找 500+500=1000 次。这个查找次数依然很多，如何解决呢？

（2）多级索引顺序文件

  为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立多级索引表。例如，对于一个含 $ 10^6$ 个记录的文件，可先为该文件建立一张低级索引表，每 100 个记录为一组，故低级索引表中共有 10000 个表项（即 10000 个定长记录），再把这 10000 个定长记录分组，每组 100 个，为其建立顶级索引表，故顶级索引表中共有 100 个表项。此时，检索一个记录平均需要查找 50+50+50=150 次。

  要为 N 个记录的文件建立 K 级索引，则最优的分组是每组 $ N^{1/(K+1)}$ 个记录。检索一个记录的平均查找次数是 $ ((N^{1/(K+1)})/2)* (K+1)$。

  本例中，建立 2 级索引，则最优分组为每组 $ 100000^{1/3}=100$ 个记录， 平均查找次数是$ (100/2) * 3=150 次$。

4、总结

三、文件目录

  目录本身就是一种有结构文件，由一条条记录组成。每条记录对应一个在该放在该目录下的文件。

1、文件控制块

  文件控制块（FCB）是实现文件目录的关键数据结构。FCB 的有序集合称为“文件目录”，一个 FCB 就是一个文件目录项。FCB 实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现“按名存取”。

  FCB 中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（文件的建立时间、修改时间等）。最重要，最基本的还是 文件名、文件存放的物理地址。

需要对目录进行哪些操作？

• 搜索：当用户要使用一个文件时，系统要根据文件名搜索目录，找到该文件对应的目录项；
• 创建文件：创建一个新文件时，需要在其所属的目录中增加一个目录项；
• 删除文件：当删除一个文件时，需要在目录中删除相应的目录项；
• 显示目录：用户可以请求显示目录的内容，如：显示该目录中的所有文件及相应属性；
• 修改目录：某些文件属性保存在目录中，因此这些属性变化时需要修改相应的目录项（如：文件重命名）。

2、目录结构

（1）单级目录结构

  早期操作系统并不支持多级目录，整个系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。单级目录实现了“按名存取”，但是不允许文件重名。在创建一个文件时，需要先检查目录表中有没有重名文件，确定不重名后才能允许建立文件，并将新文件对应的目录项插入目录表中。显然，单级目录结构不适用于多用户操作系统。

（2）两级目录结构

  早期的多用户操作系统，采用两级目录结构。分为主文件目录（MFD）和用户文件目录（UFD）。

（3）多级目录结构（树形目录结构）

  现代 OS 中，最通用且实用的文件目录是树形目录结构。它可以明显地提高对目录的检索速度和文件系统的性能。主目录在这里被称为根目录，在每个文件目录中，只能有一个根目录，每个文件和每个目录都只能有一个父目录。把数据文件称为树叶，其他的目录均称为树的结点或子目录。

绝对路径和相对路径

  用户（或用户进程）要访问某个文件时要用文件路径名标识文件，文件路径名是个字符串。各级目录之间用“/”隔开。

  从根目录出发的路径称为绝对路径。 例如：自拍.jpg的绝对路径是 “/照片/2015-08/自拍.jpg”。系统根据绝对路径一层一层地找到下一级目录。刚开始从外存读入根目录的目录表；找到“照片”目录的存放位置后，从外存读入对应的目录表；再找到“2015-08”目录的存放位置，再从外存读入对应目录表；最后才找到文件“自拍.jpg”的存放位置。整个过程需要 3 次读磁盘 I/O 操作。

  很多时候，用户会连续访问同一目录内的多个文件（比如：接连查看“2015-08”目录内的多个照片文件），显然，每次都从根目录开始查找，是很低效的。因此可以设置一个当前目录。例如，此时已经打开了“照片”的目录文件，也就是说，这张目录表已调入内存，那么可以把它设置为“当前目录”。当用户想要访问某个文件时，可以使用从当前目录出发的相对路径。

  在 Linux 中，“.”表示当前目录，因此如果“照片”是当前目录，则“自拍.jpg”的相对路径为： “./2015-08/自拍.jpg”。从当前路径出发，只需要查询内存中的“照片”目录表，即可知道”2015-08”目录表的存放位置，从外存调入该目录，即可知道“自拍.jpg”存放的位置了。可见，引入“当前目录”和“相对路径”后，磁盘I/O的次数减少了。这就提升了访问文件的效率。

  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。但是，树形结构不便于实现文件的共享。为此，提出了“无环图目录结构”。

（4）无环图目录结构

  无环图目录结构可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录（共享同一目录下的所有内容）。需要为每个共享结点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该结点。用户提出删除结点的请求时，只是删除该用户的 FCB、并使共享计数器减 1，并不会直接删除共享结点。只有共享计数器减为 0 时，才删除结点。

  注意：共享文件不同于复制文件。在共享文件中，由于各用户指向的是同一个文件，因此只要其中一个用户修改了文件数据，那么所有用户都可以看到文件数据的变化。

3、索引结点（FCB 改进）

  其实在查找各级目录的过程中只需要用到“文件名”这个信息，只有文件名匹配时，才需要读出文件的其他信息。因此可以考虑让目录表“瘦身”来提升效率。

  假设一个 FCB 是 64B，磁盘块的大小为 1KB，则每个盘块中只能存放 16 个 FCB。若一个文件目录中共有 640 个目录项，则共需要占用 640/16=40 个盘块。因此按照某文件名检索该目录，平均需要查询 320 个目录项，平均需要启动磁盘 20 次（每次磁盘 I/O 读入一块）。

  若使用索引结点机制，文件名占 14B，索引结点指针站 2B，则每个盘块可存放 64 个目录项，那么按文件名检索目录平均只需要读入 320/64=5 个磁盘块。显然，这将大大提升文件检索速度。

  当找到文件名对应的目录项时，才需要将索引结点调入内存，索引结点中记录了文件的各种信息，包括文件在外存中的存放位置，根据“存放位置”即可找到文件。存放在外存中的索引结点称为磁盘索引结点，当索引结点放入内存后称为内存索引结点。 相比之下内存索引结点中需要增加一些信息，比如：文件是否被修改、此时有几个进程正在访问该文件等。

4、总结

四、文件的物理结构（文件分配方式）

  文件块（磁盘块）类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。内存与磁盘之间的数据交换（即读/写操作、磁盘 I/O）都是以“块”为单位进行的。即每次读入一块，或每次写出一块。

  在内存管理中，进程的逻辑地址空间被分为一个一个页面。同样的，在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为了一个一个的文件“块”。于是文件的逻辑地址也可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。

1、连续分配

  连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

  用户给出要访问的逻辑块号，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）… 物理块号=起始块号+逻辑块号。当然，还需要检查用户提供的逻辑块号是否合法（逻辑块号≥长度，就不合法）。可以直接算出逻辑块号对应的物理块号，因此连续分配支持顺序访问和直接访问（即随机访问）。

  读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。所以连续分配的文件在顺序读/写时速度最快。

• 优点：支持顺序访问和直接访问（即随机访问）；连续分配的文件在顺序访问时速度最快。
• 缺点：不方便文件拓展；存储空间利用率低，会产生磁盘碎片。

2、链接分配

  链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。链接分配默认指的是隐式链接的链接分配。

（1）隐式链接

  用户给出要访问的逻辑块号 i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）… 从目录项中找到起始块号（即 0 号块），将 0 号逻辑块读入内存，由此知道 1 号逻辑块存放的物理块号，于是读入 1 号逻辑块，再找到 2 号逻辑块的存放位置……以此类推。 因此，读入 i 号逻辑块，总共需要 i+1 次磁盘 I/O。

  除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针。文件目录包括文件第一块的指针和最后一块的指针。

• 优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高。
• 缺点：只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低，指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。

（2）显式链接

  显式链接把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表中。即文件分配表（FAT）。一个磁盘只会建立一张文件分配表。开机时文件分配表放入内存，并常驻内存。

  假设某个新创建的文件“aaa”依次存放在磁盘块2→5→0→1。

  FAT 的各个表项在物理上连续存储，且每一个表项长度相同，因此“物理块号”字段可以是隐含的。

  用户给出要访问的逻辑块号 i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）… 从目录项中找到起始块号，若 i>0，则查询内存中的文件分配表 FAT，往后找到 i 号逻辑块对应的物理块号。逻辑块号转换成物理块号的过程不需要读磁盘操作。

  结论：采用链式分配（显式链接）方式的文件，支持顺序访问，也支持随机访问（想访问 i 号逻辑块时，并不需要依次访问之前的 0~i-1 号逻辑块），由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。显然，显式链接也不会产生外部碎片，也可以很方便地对文件进行拓。

• 优点：很方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高，并且支持随机访问。相比于隐式链接来说，地址转换时不需要访问磁盘，因此文件的访问效率更高。
• 缺点：文件分配表的需要占用一定的存储空间。

3、索引分配

  索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表，建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

  注意：在显式链接的链式分配方式中，文件分配表 FAT 是一个磁盘对应一张。而索引分配方式中，索引表是一个文件对应一张。

  假设某个新创建的文件“aaa”的数据依次存放在磁盘块 2→5→13→9。7 号磁盘块作为“aaa”的索引块， 索引块中保存了索引表的内容。

  用户给出要访问的逻辑块号 i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）… 从目录项中可知索引表存放位置，将索引表从外存读入内存，并查找索引表即可知 i 号逻辑块在外存中的存放位置。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。

  若每个磁盘块 1KB，一个索引表项 4B，则一个磁盘块只能存放 256 个索引项。如果一个文件的大小超过了 256 块，那么一个磁盘块是装不下文件的整张索引表的，如何解决这个问题？

（1）链接方案

  如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。

  假设磁盘块大小为 1KB，一个索引表项占 4B，则一个磁盘块只能存放 256 个索引项。若一个文件大小为 $ 256256KB= 65,536KB=64MB$ 该文件共有 $ 256256$ 个块，也就对应 $ 256*256$ 个索引项，也就需要 256 个索引块来存储，这些索引块用链接方案连起来。若想要访问文件的最后一个逻辑块，就必须找到最后一个索引块（第 256 个索引块），而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前 255 个索引块。这显然是很低效的。如何解决呢？

（2）多层索引

  建立多层索引（原理类似于多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。

  假设磁盘块大小为 1KB，一个索引表项占 4B，则一个磁盘块只能存放 256 个索引项。若某文件采用两层索引，则该文件的最大长度可以到 $ 2562561KB=65,536KB=64MB$ 可根据逻辑块号算出应该查找索引表中的哪个表项。

  如：要访问 1026 号逻辑块，则 $ 1026/256=4$，$ 1026%256=2$ 因此可以先将一级索引表调入内存，查询 4 号表项， 将其对应的二级索引表调入内存，再查询二级索引表的 2 号表项即可知道 1026 号逻辑块存放的磁盘块号了。访问目标数据块，需要 3 次磁盘 I/O。若采用三层索引，则文件的最大长度为 $ 256256256*1KB=16GB$ 类似的，访问目标数据块，需要 4 次磁盘 I/O。

  若采用多层索引，则各层索引表大小不能超过一个磁盘块。采用 K 层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要 K+1 次读磁盘操作。

（3）混合索引

  多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含多级间接索引（指向多层索引表）。

4、总结

五、文件的基本操作

1、创建删除文件

创建文件

  进行 Create 系统调用时，需要提供的几个主要参数：

1. 所需的外存空间大小（如：一个盘块，即 1KB）；
2. 文件存放路径（“D:/Demo”）；
3. 文件名（“新建文本文档.txt”）。

  操作系统在处理 Create 系统调用时，主要做了两件事：

1. 在外存中找到文件所需的空间，（根据空闲链表法、位示图、成组链接法等管理策略，找到空闲空间）；
2. 根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件（此处就是 D:/Demo 目录），在目录中创建该文件对应的目录项。目录项中包含了文件名、文件在外存中的存放位置等信息。

删除文件

  进行 Delete 系统调用时，需要提供的几个主要参数：

1. 文件存放路径（“D:/Demo”）；
2. 文件名（“test.txt”）。

  操作系统在处理 Delete 系统调用时，主要做了几件事：

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项；
2. 根据该目录项记录的文件在外存的存放位置、文件大小等信息，回收文件占用的磁盘块。（回收磁盘块时，根据空闲表法、空闲链表法、位图法等管理策略的不同，需要做不同的处理）；
3. 从目录表中删除文件对应的目录项。

2、打开关闭文件

打开文件

  在很多操作系统中，在对文件进行操作之前，要求用户先使用 open 系统调用 “打开文件”，需要提供的几个主要参数：

1. 文件存放路径（“D:/Demo”）；
2. 文件名（“test.txt”）；
3. 要对文件的操作类型（如：r 只读； rw 读写等）。

  操作系统在处理 open 系统调用时，主要做了几件事：

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的的目录项，并检查该用户是否有指定的操作权限。
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。

打开文件表

关闭文件

  进程使用完文件后，要“关闭文件”操作系统在处理 Close 系统调用时，主要做了几件事：

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 减 1，若count=0，则删除对应表项。

3、读写文件

读文件

  进程使用 read 系统调用完成写操作。需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明要读入多少数据（如：读入 1KB）、指明读入的数据要放在内存中的什么位置。操作系统在处理 read 系统调用时，会从读指针指向的外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中。

写文件

  进程使用 write 系统调用完成写操作，需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明要写出多少数据（如：写出 1KB）、写回外存的数据放在内存中的什么位置。操作系统在处理 write 系统调用时，会从用户指定的内存区域中，将指定大小的数据写回写指针指向的外存。

4、总结

六、文件存储空间管理

  文件存储空间管理，主要解决以下问题：

• 用什么方式记录，组织空闲块？
• 如何分配磁盘块。
• 如何回收磁盘块。

1、存储空间的划分与初始化

2、空间表法

  空间表法是建立一个空闲盘块表来记录空闲盘块，适用于连续分配方式。

  如何分配磁盘块：与内存管理中的动态分区分配很类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间。

  如何回收磁盘块：与内存管理中的动态分区分配很类似，当回收某个存储区时需要注意表项的合并问题。

3、空闲链表法

  空闲链表法分为两种：

• 空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链；
• 空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链。

空闲盘块链

  操作系统保存着链头、链尾指针。适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作。

• 如何分配：若某文件申请 K 个盘块，则从链头开始依次摘下 K 个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。
• 如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。

空闲盘区链

  操作系统保存着链头、链尾指针。离散分配、连续分配都适用。为一个文件分配多个盘块时效率更高。

• 如何分配：若某文件申请 K 个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。
• 如何回收：若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。

4、位示图法

  每个二进制位对应一个盘块。在本例中，“0”代表盘块空闲，“1”代表盘块已分配。位示图一般用连续的“字”来表示，如图中一个字的字长是 16 位，字中的每一位对应一个盘块。因此可以用（字号，位号）对应一个盘块号。当然有的题目中也描述为（行号，列号）。

计算方法

  根据坐标计算盘块号：(字号,位号)=(i,j) 的二进制位对应的 盘块号b=ni+j；（n表示字长）

• (0,1) → b=16*0+1=1；
• (1,10) → b=16*1+10=26。

  根据盘块号计算坐标：b 号盘块对应的字号 i=b/n，位号 j=b%n；

• b=13 → i=13/16=0，j=13%16=13；
• b=31 → i=31/16=1，j=31%16=15。

  如何分配：若文件需要 K 个块，① 顺序扫描位示图，找到 K 个相邻或不相邻的“0”；② 根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；③ 将相应位设置为“1”。

  如何回收：①根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；② 将相应二进 制位设为“0。

5、成组链接法

  空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统，因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法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，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。

如何分配

  需要 1 个空闲块：

• 检查第一个分组的块数是否足够。1<100，因此是足够的。
• 分配第一个分组中的 1 个空闲块，并修改相应数据。

  需要100个空闲块：

• 检查第一个分组的块数是否足够。100=100，是足够的。
• 分配第一个分组中的 100 个空闲块。但是由于 300 号块内存放了再下一组的信息，因此 300 号块的数据需要复制到超级块中。

如何回收

  假设每个分组最多为 100 个空闲块，此时第一个分组已有 99 个块，还要再回收一块。需要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。

6、总结

七、文件共享

  多个用户共享同一个文件，意味着系统中只有“一份”文件数据。并且只要某个用户修改了该文件的数据，其他用户也可以看到文件数据的变化。

1、基于索引结点的共享方式（硬链接）

  索引结点是一种文件目录瘦身策略。由于检索文件时只需用到文件名，因此可以将除了文件名之外的其他信息放到索引结点中。这样目录项就只需要包含文件名、索引结点指针。索引结点中设置一个链接计数变量count，用于表示链接到本索引结点上的用户目录项数。

• 若 count=2，说明此时有两个用户目录项链接到该索引结点上，或者说是有两个用户在共享此文件。若某个用户决定“删除”该文件，则只是要把用户目录中与该文件对应的目录项删除，且索引结点的 count 值减 1。
• 若 count>0，说明还有别的用户要使用该文件，暂时不能把文件数据删除，否则会导致指针悬空。
• 当 count=0 时系统负责删除文件。

2、基于符号链的共享方式（软链接）

  当 User3 访问“ccc”时，操作系统判断文件“ccc”属于 Link 类型文件，于是会根据其中记录的路径层层查找目录，最终找到 User1 的目录表中的“aaa”表项，于是就找到了文件1的索引结点。如果文件1已删除，但是文件2依然存在，只不过找不到文件1了。

3、总结

八、文件保护

1、口令保护

  为文件设置一个“口令”（如：abc112233），用户请求访问该文件时必须提供“口令”。口令一般存放在文件对应的 FCB 或索引结点中。用户访问文件前需要先输入“口令”，操作系统会将用户提供的口令与 FCB 中存储的口令进行对比，如果正确，则允许该用户访问文件。

• 优点：保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销也很小。
• 缺点：正确的“口令”存放在系统内部，不够安全。

2、加密保护

  使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。一个最简单的加密算法——异或加密。

• 优点：保密性强，不需要在系统中存储“密码”；
• 缺点：编码/译码，或者说加密/解密要花费一定时间。

3、访问控制

  在每个文件的 FCB（或索引结点）中增加一个访问控制列表（ACL），该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。

  精简的访问列表：以“组”为单位，标记各“组”用户可以对文件执行哪些操作。如：分为系统管理员、文件主、文件主的伙伴、其他用户几个分组。当某用户想要访问文件时，系统会检查该用户所属的分组是否有相应的访问权限。

4、总结

九、文件系统的层次结构

  假设某用户请求删除文件“D:/工作目录/学生信息.xlsx”的最后 100 条记录。

1. 用户需要通过操作系统提供的接口发出上述请求——用户接口；
2. 由于用户提供的是文件的存放路径，因此需要操作系统一层一层地查找目录，找到对应的目录项——文件目录系统；
3. 不同的用户对文件有不同的操作权限，因此为了保证安全，需要检查用户是否有访问权限——存取控制模块（存取控制验证层）；
4. 验证了用户的访问权限之后，需要把用户提供的“记录号”转变为对应的逻辑地址——逻辑文件系统与文件信息缓冲区；
5. 知道了目标记录对应的逻辑地址后，还需要转换成实际的物理地址——物理文件系统；
6. 要删除这条记录，必定要对磁盘设备发出请求——设备管理程序模块；
7. 删除这些记录后，会有一些盘块空闲，因此要将这些空闲盘块回收——辅助分配模块。