操作系統之文件管理
一 文件和文件系統
文件管理：把所管理的程序和數據組織成一系列的文件，並能進行合理的存儲、使用等操作。
1 基本概念
數據項：描述對象某種屬性的字符集；是數據組織中可以命名的最小邏輯數據單位。
記錄：一組相關數據項集合，描述對象某方面的屬性；
關鍵字：一個記錄中的一個或幾個數據項的集合，用於唯一的標識一個記錄。
文件：由創建者定義的、具有文件名的一組相關元素的集合。
有結構：由相關記錄組成
無結構：字符流的形式
屬性：類型、長度、物理位置、創建時間
２文件類型
按用途：系統、用戶、庫文件
按數據形式：源文件、目標文件、可執行文件
按存取控制屬性：只執行、只讀、讀寫
按組織和處理方式：普通文件、目錄文件、特殊（設備）文件
３.文件系統模型
４ 文件操作
最基本的操作
創建/刪除文件：分空間，形成FCB及目錄（名，地址）
讀、寫：按名檢索目錄，找到文件地址，開始讀、寫
置文件讀寫位置，實現隨機存取（尤其適用於記錄文件）
還需要：“打開”與“關閉”：
文件讀/寫操作 = 檢索 + 讀/寫。
每次讀寫前都要重復檢索增大開銷。所以為了方便對同一文件的多次讀寫，一次檢索到文件後就在內存中記錄其位置，避免重復檢索。被記錄下位置的文件就是“打開”文件；
不需要再操作文件時，通過“關閉”這個系統調用關閉文件——即從打開文件表上刪除其路徑信息即可。
其他操作：改名、改所屬用戶、改訪問權限等屬性的操作。
二 文件的邏輯結構
１ 文件邏輯結構類型：
有結構文件（記錄式）
①定長記錄
②變長記錄
如何組織記錄：
順序文件。系統需按該類型記錄“長度”，通常定長。
索引文件。系統需為文件建立索引表。
索引順序文件。建索引表，記錄每組記錄的第一個記錄位置。
無結構文件（字符流式）
字節為單位，利用讀寫指針依次訪問。
系統對該類文件不需格式處理。
２ 順序文件：
兩種記錄排列方式
串結構：按記錄形成的時間順序串行排序。記錄順序與關鍵字無關；
順序結構：按關鍵字排序。
檢索方法：
從頭檢索，順序查找要找的記錄，定長的計算相對快。
順序結構，可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率
順序文件的優缺點：
不方便隨機存取某條記錄，但適用批量存取的場合。
適合磁帶等特殊介質。
單記錄的查找、修改等交互性差；增減不方便（改進辦法：把增刪改的記錄登記在一個事務文件中，在某段時間間隔後再與原文件合並更新）。
３索引文件
為了方便單個記錄的隨機存取，為文件建立一個索引表，記錄每項記錄在文件的邏輯地址及記錄長度；該索引表按關鍵字排序，。
索引表內容：
索引號、長度、記錄地址指針
檢索效率
索引表本身即是個按記錄鍵排序的定長順序文件，所以能利用算法提高索引表檢索速度
一個索引文件可以有多個索引表
為方便用戶根據不同記錄屬性檢索記錄，為順序文件建立多個索引表，每種能成為檢索條件的域都配備一張索引表。
索引文件的優缺點
適用於變長記錄，可提高檢索速度，實現直接存取
索引表增加了存儲開銷
４ 索引順序文件：
既要方便，又要降低開銷
本方式是最常見的一種邏輯文件形式。
將順序文件的所有記錄分組
還是建立索引表，但每個表項記錄的是每組第1條記錄的鍵值和地址。
組內記錄仍按順序方式檢索和使用。
檢索一條記錄的過程：
先計算記錄是在第幾組，然後再檢索索引確定組在哪裏後，在組內順序查找。
可利用多級索引，進一步提高檢索效率。
５ 直接文件：
給定鍵值（如學號）不需順序檢索直接得到記錄的物理地址、
三 外存分配方式：
目標：有效利用外存空間，提高文件訪問速度
常用三種方式：
連續分配
鏈接分配（不連續）
索引分配
通常一個系統中僅采用一種方式
采用的磁盤分配方式決定了文件的“物理結構”
順序結構；鏈接式結構；索引式結構。
註意與邏輯結構名類似但不是一回事
缺點：
會產生外存碎片。可緊湊法彌補，但需要額外的空間，和內存緊湊相比更花時間。
創建文件時要給出文件大小；存儲空間利用率不高，不利於文件的動態增加和修改；
適用於變化不大順序訪問的文件，在流行的UNIX系統中仍保留了連續文件結構。如對換區
２ 連接分配：
可以為每一個文件分配一組不相鄰的盤塊。
設置鏈接指針，將同屬於一個文件的多個離散盤塊鏈接成一個鏈表，這樣形成的文件稱為鏈接文件。會有鏈接成本。
優點：
離散分配，消除外部碎片，提高利用率
同時適用於文件的動態增長；修改容易
四 存儲空間管理：
為實現存儲空間分配，系統需要：
記住空閑存儲空間使用情況；為空間設置相應的數據結構；
提供對存儲空間分配、回收的操作手段。
典型的管理方法：
1）空閑表和空閑鏈表法
2）位示圖法
3）成組鏈接法
1）空閑表法和空閑鏈表法
常用於連續分配管理方式
數據結構
系統為外存上的所有空閑區建立一張空閑表
每個空閑區對應一個空閑表項
（表項包括序號、空閑區的第一個盤塊號、空閑盤塊數等。）
將所有空閑區按其起始盤塊號遞增的次序排列
空閑鏈表法
將所有空閑盤區拉成一條空閑鏈。
數據結構：鏈
根據構成鏈所用基本元素的不同，可把鏈表分成兩種形式：
空閑盤塊鏈
空閑盤區鏈
2）位示圖法——位示圖
利用二進制的一位來表示一個盤塊的使用情況。
值為0表示對應的盤塊空閑，為1表示已分配。有的系統則相反。
磁盤上的所有盤塊都有一個二進制位與之對應，這樣由所有盤塊所對應的位構成一個集合，稱為位示圖。
總塊數=m*n。可用m*n個位數來構成位示圖，可看成是二維數組（數據結構）
3）成組鏈接法
中心思想：
所有盤塊按規定大小劃分為組；
組間建立鏈接；
組內的盤塊借助一個系統棧可快速處理，且支持離散分配回收。
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