主要針對希賽出版的架構師考試教程《系統架構設計師教程（第4版）》，作者“希賽教育軟考學院”。完成相關的讀書筆記以便後期自查，僅供個人學習使用，不得用於任何商業用途。

第五節 檔案管理

每一種軟體資源本身都是具有一定邏輯意義的相關資訊的集合，在作業系統中它們以檔案形式儲存。

計算機系統的重要作用之一是能快速處理大量資訊，因此資料的組織、存取和保護成為一個極重要的內容。檔案系統是作業系統中組織、存取和保護資料的一個重要部分。

檔案的存取許可權控制

一般為檔案的存取設定兩級控制：

第 1 級是訪問者的識別，即規定哪些人可以訪問；

第 2 級是存取許可權的識別，即有權參與訪問者可對檔案執行何種操作。

檔案的邏輯結構

檔案的結構是指檔案的組織形式，從使用者角度所看到的檔案組織形式，稱為檔案的邏輯結構。

檔案的邏輯組織是為了方便使用者使用。一般檔案的邏輯結構可以分為兩種：無結構的字元流檔案和有結構的記錄檔案。記錄檔案由記錄組成，即檔案內的資訊劃分成多個記錄，以記錄為單位組織和使用資訊。

記錄檔案型別

順序檔案

大多數檔案是順序檔案。順序檔案的記錄定長，記錄中的資料項的型別長度與次序固定，一般還有一個可以唯一標識記錄的資料項，稱為鍵（key），記錄是按鍵值的約定次序組織的。順序檔案常用於批處理應用，對於查詢或更新某個記錄的處理效能不太好。

索引順序檔案

索引順序檔案是基於鍵的約定次序組織的，而且維護鍵的索引和溢位區域。鍵的索引也可以是多級索引。索引順序檔案既適用於互動方式應用，也適用於批處理方式應用。

索引檔案

索引檔案是基於記錄的一個鍵資料項組織的。許多應用需按照別的資料項訪問檔案，為此，常採用索引檔案方法，即對主檔案中的記錄按需要的資料項（一個或幾個）建索引，索引檔案本身是順序檔案組織。

直接檔案

直接檔案又稱雜湊（Hash）檔案。記錄以它們在直接訪問儲存裝置上的實體地址直接（隨機地）訪問。直接檔案常用 於需要高速訪問檔案而且每次僅訪問一條記錄的應用中。

檔案的物理結構

檔案的物理結構是指檔案在儲存裝置上的存放方法。檔案的物理結構側重於提高儲存器的利用效率和降低存取時間。檔案的儲存裝置通常劃分為大小相同的物理塊，物理塊是分配和傳輸資訊的基本單位。檔案的物理結構涉及檔案儲存裝置的組塊策略和檔案分配策略，決定檔案資訊在儲存裝置上的儲存位置。

檔案分配策略

順序分配（連續分配）

這是最簡單的分配方法。在檔案建立時預先分配一組連續的物理塊，然後，按照邏輯檔案中的資訊（或記錄）順序，依次把資訊（或記錄）按順序儲存到物理塊中。這樣，只需知道檔案在檔案儲存裝置上的起始位置和檔案長度，就能進行存取，這種分配方法適合於順序存取，在連續存取相鄰資訊時，存取速度快。其缺點是在檔案建立時必須指定檔案的資訊長度，以後不能動態增長，一般不宜用於需要經常修改的檔案。

連結分配（串聯分配）

這是按單個物理塊逐個進行的。每個物理塊中（一般是最後一個單元）設有一個指標，指向其後續連線的下一個物理塊的地址，這樣，所有的物理塊都被連結起來，形成一個連結佇列。在建立連結檔案時，不需要指定檔案的長度，在檔案的說明資訊中，只需指出該檔案的第一個物理塊塊號，而且連結檔案的檔案長度可以動態地增長。只調整物理塊間的指標就可以插入或刪除一個資訊塊。

連結分配的優點是可以解決儲存器的碎片問題，提高儲存空間利用率。由於連結檔案只能按照佇列中的連結指標順序查詢，因此搜尋效率低，一般只適用於順序訪問，不適用於隨機存取。

索引分配

這是另一種對檔案儲存不連續分配的方法。採用索引分配方法的系統，為每一個檔案建立一張索引表，索引表中每一表項指出檔案資訊所在的邏輯塊號和與之對應的物理塊號。

索引分配既可以滿足檔案動態增長的要求，又可以方便而迅速地實現隨機存取。對一些大的檔案，當索引表的大小超過一個物理塊時，會發生索引表的分配問題。一般採用多級（間接索引）技術，這時在由索引表指出的物理塊中存放的不是檔案存放處而是存放檔案資訊的物理塊地址。這樣，如果一個物理塊能儲存 n 個地址，則一級間接索引將使可定址的檔案長度變成 n2 塊，對於更大的檔案可以採用二級甚至三級間接索引（例如，UNIX 作業系統採用三級索引結構，如圖 2-9 所示）。

索引檔案的優點是既適用於順序存取，又適用於隨機存取。缺點是索引表增加了儲存 空間的開銷。另外，在存取檔案時需要訪問兩次磁碟，一次是訪問索引表，另一次是根據索引表提供的物理塊號訪問檔案資訊。為了提高效率，一種改進的方法是，在對某個檔案進行操作之前，預先把索引表調入記憶體。這樣，檔案的存取就能直接從記憶體的索引表中確定相應的物理塊號，從而只需要訪問一次磁碟。

檔案儲存裝置管理

檔案儲存裝置管理，就是作業系統要有效地進行儲存空間的管理。由於檔案儲存裝置是分成許多大小相同的物理塊，並以塊為單位交換資訊，因此，檔案儲存裝置的管理實質上是對空閒塊的組織和管理問題。它包括空閒塊的組織，空閒塊的分配與空閒塊的回收等問題

空閒塊管理方法

索引法

索引法把空閒塊作為檔案並採用索引技術。為了有效，索引對應於一個 或由幾個空閒塊構成的空閒區。這樣，磁碟上每一個空閒塊區都對應於索引表中一個條目，這個方法能有效地支援每一種檔案分配方法。

連結法

連結法使用連結串列把空閒塊組織在一起，當申請者需要空閒塊時，分配程 序從鏈首開始摘取所需的空閒塊。反之，管理程式把回收的空閒塊逐個掛入隊尾，這個方 法適用於每一種檔案分配方法。空閒塊的連結方法可以按釋放的先後順序連結，也可以按 空閒塊區的大小順序連結。後者有利於獲得連續的空閒塊的請求，但在分配請求和回收空閒塊時系統開銷多一點。

位示圖法

該方法是在外存上建立一張位示圖（Bitmap），記錄檔案儲存器的使 用情況。每一位僅對應檔案儲存器上的一個物理塊，取值0 和1 分別表示空閒和佔用。

樹型目錄結構

在計算機的檔案系統中，一般採用樹型目錄結構。在樹型目錄結構中，樹的根結點為根目錄，資料檔案作為樹葉，其他所有目錄均作為樹的結點。