檔案控制塊—FCB

1. 為了能對一個檔案進行正確的存取，必須為檔案設定用於描述和控制檔案的資料結構，稱之為“檔案控制塊”（FCB）
   1. 檔案與檔案控制塊一一對應
   2. 記錄檔名及其存放地址、檔案的說明和控制資訊。（是誰？在哪裡？什麼權？）
   3. 檔案管理程式藉助於檔案控制塊中的資訊對檔案施以各種操作。

              把檔案控制塊的有序集合稱為檔案目錄，即一個檔案控制塊就是一個目錄項。通常一個檔案目錄也被看作是一個檔案，稱為目錄檔案

5、目錄管理

1. 對檔案實施有效的管理，必須對它們加以妥善組織，主要是兩大操作：
   1. 基本資訊記錄(FCB,目錄項)
   2. 方便檢索、管理（目錄操作）
2. 目錄管理的要求如下：
   1. 實現“按名存取”；（最基本功能）
   2. 提高對目錄的檢索速度；
   3. 檔案共享；

允許檔案重名。

1. FCB內容

 

1. 對於連續檔案：檔案起始塊號；
2. 對於連結檔案：指向第一個物理塊的指標；
3. 對於索引檔案：索引表地址。

 

1. 在檔案控制塊中，通常含有以下三類資訊。

1. 基本資訊類
   • 包括檔名，檔案物理位置，檔案邏輯結構，檔案的物理結構。
2. 存取控制資訊類
   • 包括檔案主的存取許可權，核准使用者的存取許可權和一般使用者的存取許可權。
3. 使用資訊類
   • 建立日期和時間、檔案上次修改的日期和時間
   • 當前使用資訊：開啟該檔案的程序數、是否被程序鎖住、是否已修改等。

 

 

關於檔案檢索的速度：

1. 檔案FCB組成的“目錄”檔案存放於磁碟；需要時，要從磁碟將目錄內容調入記憶體進行檢索和使用。
2. 如果目錄佔用5個盤塊，則至多
   需啟動5次磁頭讀寫，如何提高檢索速度？

 

2）索引結點

1. 索引結點的引入
   1. 檔案目錄佔越大量的盤塊，需進行的磁碟讀寫開銷越大。減少實際檢索的資訊量就減少移動磁頭的開銷，提高速度；
   2. 目錄一般是按名檢索。而直到找到正確檔案前，只關心檔名，不需要其它的檔案描述資訊，目錄中這部分內容的調入不是必須的。
   3. 所以：將檔名、檔案具體資訊分開，使檔案描述資訊單獨形成一個索引結點。

 

 

索引結點由外存到記憶體的過程中有不同的形式：

1. 磁碟索引結點
   1. 存放在磁碟上的索引結點。主要包括以下內容：檔案主識別符號、檔案型別、檔案存取許可權、檔案實體地址、檔案長度、檔案連線計數、檔案存取時間。
2. 記憶體索引結點
   1. 檔案被開啟後，將磁碟索引結點拷貝到記憶體索引結點中以便使用。比磁碟索引結點增加了以下內容：索引結點編號、狀態、訪問計數、檔案所屬檔案系統的邏輯裝置號、連結指標。

 

３） 目錄結構

1. 目錄結構的組織，關係到檔案系統的存取速度，也關係到檔案的共享性和安全性。
2. 組織好檔案的目錄，是設計好檔案系統的重要環節。
3. 目前常用的目錄結構形式有
   1. 單級目錄
   2. 兩級目錄
   3. 多級目錄

 

單級目錄結構（Single-Level Directory）

1. 最簡單的目錄結構。
2. 整個檔案系統中只建立一張目錄表，每個檔案一個目錄項，含有檔案相關資訊。

每建立一個新檔案：

1. 1. 先檢索所有的目錄項，保證檔名唯一。
   2. 獲得一空白目錄項，填入相關資訊，修改狀態位（表明每個目錄項是否空閒）。

刪除一個檔案：

1. 1. 找到對應目錄項，回收檔案所佔用空間
   2. 清除目錄項

 

1. 優點：簡單、能實現目錄管理的基本功能——按名存取。
2. 缺點：
   1. 檔案檢索時需搜遍整個目錄檔案，範圍大速度慢。
   2. 不允許重名。名字過多難於記憶，對於多使用者環境重名難以避免。
   3. 不便於實現檔案共享（因為不能重名，不同使用者使用的共享檔案必須不同名字，標識哪些使用者共享檔案也不方便），一般只適用單機環境。

 

②兩級目錄結構（ Two-Level Directory ）

1. 為每一個使用者建立一個單獨的使用者檔案目錄UFD，UFD由使用者所有檔案的檔案控制塊組成。
2. 系統建立一個主檔案目錄MFD， MFD中每個使用者目錄檔案都佔有一個目錄項，其中包括使用者名稱和指向UFD的指標。

 

 

兩級目錄的特點

1. 基本克服了單級目錄的缺點，並具有以下優點：
   1. 提高了檢索目錄的速度。
   2. 在不同的目錄中可重名。
   3. 不同使用者還可以使用相同/不同的檔名來訪問系統中的同一個共享檔案。

不提供子目錄操作，還不方便；各使用者之間被完全隔離的話使用者訪問其他使用者檔案時，不方便合作

 

 

③多級目錄結構

1. 適用於較大的檔案系統管理。又稱為樹狀目錄(tree-like)
2. 在檔案數目較多時，便於系統和使用者將檔案分散管理。
   1. 層次結構更清晰、提供更靈活的許可權管理等
   2. 但目錄級別太多時也會增加路徑檢索層次，增加磁碟訪問時間。
3. Tree-Structured Directories （樹型目錄）

 

 

相關名詞：

1. 目錄結構
   1. 主目錄稱為根目錄，資料檔案為樹葉，其它目錄為結點。多級目錄縮小檢索範圍提高檢索速度和檔案系統的效能。
2. 路徑名
   1. 從根目錄到任何資料檔案都只有一條唯一通路。目錄檔名和資料檔名依次用“/”連線起來，即構成資料檔案的路徑名。
3. 當前目錄
   1. 為每個程序設定一個“當前目錄”，又稱“工作目錄”。
   2. 從當前目錄開始，逐級經過中間的目錄檔案，最後達到要訪問的資料檔案。這一路徑上的目錄和資料檔名用“/”連線成路徑名，稱為相對路徑名。
   3. 從根開始的路徑名稱為絕對路徑名

 

4）目錄查詢技術

1. 使用者要訪問一個已存檔案
   1. 目錄資料調入記憶體；
   2. 按名檢索：系統利用提供的檔名對目錄(根據目錄層次，需要做的檢索次數也不同)進行查詢
   3. 找該檔案控制塊
   4. 讀FCB或對應索引結點；
   5. 從檔案實體地址換算出檔案在磁碟上的物理位置；
   6. 最後通過磁碟驅動程式，將所需檔案讀入記憶體。
2. 目錄查詢方式：線性檢索法和Hash方法。

 

線性檢索法

1. 又稱為順序檢索法。
2. 單級目錄中
   1. 使用者提供檔名，順序查詢檔案目錄。
3. 樹型目錄中
   1. 使用者提供路徑名，如/user/ast/mbox
   2. 對多級目錄進行逐層查詢。

*Hash方法

1. 曾介紹的Hash檔案。
2. 如果建立了一張Hash索引檔案目錄，便可利用Hash方法進行查詢
3. 系統將使用者提供的檔名變換為檔案目錄的索引值，再利用該索引值到目錄中去查詢，將顯著的提高檢索速度。
4. 對於使用萬用字元的檔案名系統無法利用Hash法檢索目錄，還是需用線性查詢法。

 

綜合練習

1. 有一檔案系統如圖1所示。圖中的框表示目錄，圈表示普通檔案。每個磁碟塊有512個位元組。普通檔案的一頁與盤塊大小等長。

• 根目錄常駐記憶體，目錄檔案物理結構組織成連結檔案，每個目錄檔案磁碟塊最後4個位元組供連結使用。
• 目錄表目指示下一級檔名及其磁碟地址（各佔2個位元組，共4個位元組）。若下級檔案是目錄檔案，指示其第一個磁碟塊地址。若下級檔案是普通檔案，指示其檔案控制塊的磁碟地址。

       （一個盤塊可存放127個目錄項）

• 普通檔案組織成索引檔案。

       （一個索引盤塊512B,可存放256個盤塊索引2B）

• 下級檔案在上級目錄檔案中的次序在圖中為自左至右。

 

 

 

前10個地址直接指示該檔案前10頁的地址。 第11個地址指示1級索引表地址，一級索引表中每個磁碟地址指示一個檔案頁地址； 第12個地址指示2級索引表地址，二級索引表中每個地址指示一個一級索引表地址； 第13個地址指示3級索引表地址，三級索引表中每個地址指示一個二級索引表地址。

 

 

 

問：

1. 1. 一個普通檔案最多可有多少個檔案頁？
   2. 若要讀檔案J中某一頁，最多啟動磁碟多少次？
   3. 若要讀檔案W中某一頁，最少啟動磁碟多少次？
   4. 就上一問而言，為最大限度減少啟動磁碟次數，可採用什麼方法？此時，磁碟最多啟動多少次？

 

• 普通檔案組織成索引檔案，普通檔案的一頁與盤塊大小等長。 C=10+256+256^2+256^3
• 根目錄常駐記憶體，下級檔案在上級目錄檔案中的次序在圖中為自左至右。讀入A，讀入D，讀入J：1+1+c
• 讀入C,I,P,U,W：1+1+1+1+1
• 儘量減少目錄項內容使一塊能存放更多目錄項/常用目錄快取、多級目錄常駐記憶體、則目錄檢索則最多5/0次磁碟操作，啟動次數就決定於檔案佔用的盤塊數

 

 

6、檔案共享與保護

 

1）檔案共享

1. 多個使用者共享一份檔案，只保留檔案的一份副本，節約儲存空間
2. 共享範圍：單機系統/多主機系統/網路範圍
3. 20世紀六七十年代，出現了若干檔案早期共享方法，繞彎路法、連訪法等，逐漸發展為現代一些共享方式
   1. 索引結點
   2. 符號鏈

①索引結點法

1. 基本FCB法：
   1. 名+詳細資訊。
   2. 直接在檔案目錄中包含檔案的實體地址，該方法實現的共享不適用檔案動態變化。一個使用者對檔案的修改（如物理塊號增加），對其他使用者不可見，共享檔案的FCB資訊記錄同步更新困難。
2. 檔名+索引結點指標。
   1. 一個使用者修改指標指向地址裡的內容，指標不變，其他使用者通過指標總能感知索引結點中的最新內容
   2. 索引結點中增加count計數
   3. 主人刪除操作問題：

1. 刪，共享使用者訪問錯誤；不刪，計費問題。

 

 

②符號鏈法

1. 1. 建立一個link型別的檔案：“檔名+共享檔案路徑”（類似快捷方式）
   2. 檔案主人刪除檔案，共享者只會出現找不到檔案錯誤。不會發生共享檔案刪除後出現懸空指標的情況。
   3. 該方法適用於網路檔案共享，但根據路徑檢索共享檔案的目標位置增加了訪問開銷，link檔案獨佔索引結點也耗費一定的空間。
2. 無論哪種共享，連結就對應一個檔案，如果遍歷複製整個目錄內的檔案，可能會從多條路徑對共享檔案進行多次訪問

 

2）磁碟容錯

SFT，system fault tolerance

1. 防止磁碟故障造成的檔案不安全
2. SFT I:磁碟表面故障
   1. 雙目錄、雙檔案分配表（空間冗餘）
   2. 寫後讀校驗、熱修復重定向（時間操作冗餘）
      1. 寫入磁碟後再讀回記憶體做一致性校驗
      2. 熱修復寫過程：從壞道重定向到專區並記錄
3. SFT II：磁碟驅動器、控制器故障
   1. 驅動器故障：磁碟映象
   2. 控制器故障：磁碟雙工——並行控制器，分離搜尋加快讀取

 

1. SFT III：高階容錯技術
   1. 雙機熱備份
   2. 雙機互備份
   3. 公用磁碟模式

 

*資料一致性

1. 一個數據分別儲存到多個檔案中，典型的如資料庫
2. 保證資料一致性：

       高可靠儲存器（冗餘保證穩定，磁碟雙工）+ 一致性軟體

1. 概念
   1. 事務：對資料各處儲存位置訪問、修改使其維持一致性的一次操作。
   2. 事務記錄：記錄事務執行時資料項修改全部資訊的資料結構：事務名、資料項名、舊值、新值。
   3. 恢復演算法：利用事務記錄表處理已完成、未完成事務。
   4. 檢查點：每隔一段時間，將記憶體中的事務記錄表、已修改資料、檢查點輸出到穩定儲存器，
2. 併發控制
3. 重複資料的一致性

 

要點問答

• 存放在磁碟上的檔案訪問順序如何：

既可隨機訪問，又可順序訪問。

• 作業系統中對資訊進行管理的部分叫：

檔案系統。

• 檔案系統是：

檔案、管理檔案的軟體及資料結構的總體。

• 從使用者角度看，檔案系統的主要目的是：

實現對檔案的按名存取。

• 按檔案的邏輯結構將檔案分為兩大類：

記錄式檔案和流式檔案。

• 使用位示圖（20行、30列）表示空閒盤塊狀態。當分配的盤塊號為132號時，其在位示圖中的行、列數為（行為0-19、列為0-29，首盤塊號為1） 4、11。當釋放的盤塊號為318時，其在位示圖中的行、列數為：

B=i*30+j+1;   b-1=i*30+j

i=b-1 div 30=10；mod= j=17

 

• 為了解決不同使用者的檔案“命名衝突”問題，通常在檔案系統中採用：

多級目錄結構。

• 按物理結構劃分，檔案主要有三類：

順序檔案、連結檔案、索引檔案。

• 作業系統實現按名存取的關鍵在於：

解決檔名與檔案儲存地址的轉換。

 

• 檔案系統提供了哪些基本操作？
• 若有甲乙兩個使用者，甲使用者有兩個檔案A、B，乙使用者有三個檔案A、C、D，甲使用者的檔案A與乙使用者的檔案A不是同一個檔案。甲使用者的檔案B與乙使用者的檔案B是同一個檔案。請設計一個目錄組織方案，並畫圖說明。
• 設某系統磁碟共有1600塊，塊號從0-1599，若用位示圖管理這1600塊的磁碟空間，問位示圖需要多少個位元組？
• 什麼是檔案的物理結構和邏輯結構？
• 檔案順序存取與隨機存取的主要區別是什麼？它們對有結構檔案和無結構檔案有何不同？