操作系统文件管理

操作系统对计算机的管理包括两个方面：硬件资源和软件资源。硬件资源的管理包括 CPU

的管理、存储器的管理、设备管理等，主要解决硬件，资源的有效和合理利用问题。

软件资源包括各种系统程序、各种应用程序、各种用户程序，也包括大量的文档材料、库 函数等。每一种软件资源本身都是具有－定逻辑意义的、相关信息的集合，在操作系统中它们 以文件形式存储。

计算机系统的重要作用之一是能快速处理大量信息，因此数据的组织、存取和保护成为一 个极重要的内容。文件系统是操作系统中组织、存取和保护数据的一个重要部分。

文件管理的功能包括：建立、修改、删除文件：按文件名访问文件：决定文件信息的存放 位置、存放形式及存取权限：管理文件间的联系以及提供对文件的共享、保护和保密等。允许 多个用户协同工作又不引起混乱。文件的共享是指一个文件可以让多个用户共同使用，它可以 减少用户的重复性劳动，节省文件的存储空间，减少输入／输出文件的次数等。文件的保护主要 是为防止由于误操作而对文件造成的破坏。文件的保密是为了防止未经授权的用户对文件进行 访问。

文件的保护、保密实际上是用户对文件的存取权限控制问题。一般为文件的存取设置两级 控制：第 l 级是访问者的识别，即规定哪些人可以访问：第 2 级是存取权限的识别，即有权参 与访问者可对文件执行何种操作。

1. 文件和文件系统的概念 文件是信息的一种组织形式，是存储在辅助存储器上的具有标识名的一组信息集合。它可

以是有结构的，也可以是无结构的。

操作系统中由文件系统来管理文件的存储、检索、更新、共享和保护。文件系统对文件进 行统一管理，目的是方便用户并且保证文件的安全可靠。

文件系统包括两个方面：一方面包括负责管理文件的二组系统软件：另一方面包括被管理 的对象一一文件。

从用户角度看，文件系统的最大特点是“按名存取”，用户只要给出文件的符号名，就能方 便地存取文件信息。文件系统的主要目标是提高存储器的利用率，接受用户的委托实施对文件 的操作。为了能正确地接名存取，文件系统应具有如 F功能：

CI ）管理辅助存储器，实现文件从逻辑文件到辅存物理空间的转换。

(2 ）有效地分配文件信息的存储空间。在用户创建新文件时为其分配空闲区，而在用户删 除或修改某个文件时，回收和调整存储区。

(3）建立文件目录。文件目录是实现按名存取的一种于段，一个好的目录结构既能方便检 索又能保证文件的安全。

(4）提供合适的存取方法和存取权限，以适应不同的应用。

(5 ）提供文件共享、保护和保密等安全设施，提供友好的用户接口。 根据不同的方面，文件有多种分类方法。按文件的用途可以分为系统文件、库文件和用户

文件等：按文件的安全属性可分为只读文件、读写文件、可执行文件和不保护文件等：按文件

的信息流向可以分为输入文件、输出文件和输入／输出文件等：按文件的组织形式可以分为普通 文件、目录文件和特殊文件等。特殊文件是 UNIX 系统采用的技术，是把所有的输入／输出设备 部视作文件（特殊文件）。特殊文件的使用形式与普通文件相同。

2. 文件的逻辅结构和组织 文件的结构是指文件的组织形式，从用户观点所看到的文件组织形式，称为文件的逻辑结

构。

文件的逻辑组织是为了方便用户使用。一般文件的逻辑结构可以分为两种：无结构的字符

流文件和有结构的记录文件。记录文件由记录组成，即文件内的信息划分成多个记录，以记录为单位组织和使用信息。

记录文件有顺序文件、索引顺序文件、索引文件和直接文件。

Cl) Jll页序文件。大多数文件是顺序文件。顺序文件的记录定长，记录中的数据项的类型长 度与次序罔定，一般还有一个可以唯一标识记录的数据顶，称为键（ key ），记录是按键值的约 定次序，组织的。顺序文件常用于批处理应用，对于查询或更新某个记录的处理性能不太好。

(2 ）索引顺序文件。索引顺序文件是基于键的约定次序组织的，而且维护键的索引和溢出

区域。键的索引也可以是多级索引。索寻｜顺序文件既适用于交互方式应用，也适用于批处理方 式应用。

(3 ）索引文件。索引文件是基于记录的一个键数据项组织的。许多应用需按照别的数据项 的问文件，为此，常采用索引文件方法，即对主文件中的记录按需要的数据项（一个或几个） 建索引，索引文件本身是顺序文件组织。

(4 ）直接文件。直接文件又称哈希（ Hash ）文件。记录以它们在直接访问存储设备上的物 理地址直接（随机地）民间。直接文件常用于需要高速访问文件而且每次访问一条记录的应用 中。

3. 文件的物理结构及组织 文件的物理结构是指文件在存储设备上的存放万法。文件的物理结构侧重于提高存储器的

利用效率和降低存取时间。文件的存储设备通常划分为大小相同的物理块，物理块是分配和传

输信息的基本单位。文件的物理结构涉及文件存储设备的组块策略和文件分配策略，决定文件 信息在存储设备上的存储位置。常用的文件分配策略有：

Cl ）顺序分配（连续分配）。这是最简单的分配方法。在文件建立时预先分配一组连续的 物理块，然后，按照逻辑文件中的信息（或记录）顺序，依次把信息（或记录）按顺序存储到 物理块中。这样，只需知道文件在文件存储设备上的起始位置和文件长度，就能进行存取，这 种分配方法适合于顺序存取，在连续存取相邻信息时，存取速度快。其缺点是在文件建立时必 须指定文件的信息长度，以后不能动态增长，一般不宜用于需要经常修改的文件。

(2 ）链接分配（串联分配）。这是按单个物理块逐个进行的。每个物理块中（－般是最后 一个单元）设有一个指针，指向其后续连接的下一个物理块的地址，这样，所有的物理块都被 链接起来，形成一个链接队列。在建立链接文件时，不需指定文件的长度，在文件的说明信息 中，只需指出该文件的第二个物理块块号，而且链接文件的文件长度可以动态地增长。只调整 物理块间的指针就可以插入或删除一个信息块。

链接分配的优点是可以解决存储器的碎片问题，提高存储空间利用率。由于链接文件只能 按照队列中的链接指针顺序查找，因此，搜索效率低，→般只适用于顺序民间，不适用于随机 存取。

(3 ）索引分配。这是另一种对文件存储不连续分配的方法。采用索引分配方法的系统，为 每二个文件建立一张索引表，索引表中每一表项指出文件信息所在的逻辑块号和与之对应的物 理块号。索引分自己既可以满足文件动态增长的要求，又可以方便而迅速地实现随机存取。这是 由于索引表中存放着全部逻辑块号与物理块号的对应关系。

对一些大的文件，索引表的大小会超过一个物理块，就会发生索引表的分配问题。对大文 件一般采用多级间接索引技术，这时在由索引表指出的物理块中存放的不是文件信息，而是存 放文件信息的物理块地址。这样，如果→个物理块能存储 n 个物理块地址，则一次间接索引， 可寻址的文件长度将变成 n×n 块。对于更大的文件可以采用二级间接索引，甚至二之级间接索引技术性H UNIX 系统）。

索引分配既适用于顺序存取，也适用于随机存取。索引分配的缺点是索引表增加了存储空 间的开销。另外，在存取文件时需要访问存储设备两次，一次是访问索引表，另→次是根据索 引表提供的物理块号访问文件信息。为了提高效率，一种改进的方法是，在对某个文件进行操作之前，预先把索引表调入内存，这样，文件的存取就能直接从内存的索引表中确定相应的物 理块号，从而只需要访问一次存储设备。

4. 文件访问方法 用户通过对文件的访问（读写）来完成对文件的查找、修改、删除和添加等操作。常用的

访问方法有两种， JJ 顺序词问和随机访问。

(I) Jll页序词问。！｜｜页序民问是按照文件的逻辑地址顺序访问。对无结构的字符流文件，顺序 民问反映当前读写指针的变化，在访问完一段信息之后，读写指针自动力日上这段信息的长度。

(2）随机访问。随机语问方法又分成两种：一种是根据记录的编号访问文件中的记录，或 者根据读写命令把读写指针移到所需要的信息段开始处：另一种是按键民间文件中的记录。

文件的访问依赖于存放文件的存储设备的特性，也依赖于文件的分配策略。例如，磁带是 典型的顺序询问设备，磁盘则是典型的随机访问设备。

5. 文件存储设备管理 文件存储设备管理，就是操作系统要有效地进行存储空间的管理。由于文件存储设备是分

成许多大小相同的物理块，并以块为单位交换信息，因此，文件存储设备的管理实质上是对空

闲块的组织和管理问题。 2包括空闲块的组织，空闲块的分配与空闲块的回收等问题。有三种 不同的空闲块管理方法，它们分别是索引法、链接法和位图法。

Cl ）索引法。索引法把空闲块作为文件并采用索引技术。为了有效，索引对应于一个或由 几个空闲块构成的空闲区。这样，磁盘上每一个空闲块区都对应于索引表中一个条目，这个方 法能有效地支持每二种文件分配方法。

在系统中为某个文件分配空闲块时，首先扫描索引空闲文件目录项，如找到合适的空闲区 工页，则分配给申请者，并把该项从索引空闲文件中去掉。如果一个空闲区不能满足申请者的要 求，则把另一项分配给申请者。如果一个空闲区所含块数超过申请者的要求，则为申请者分配 所要的物理块后，再修改该表工页。当一个文件被删除释放物理块时，系统则把被释放的块号及 第一块块号置入索引空闲文件的新表项中。

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