作業系統之檔案管理（上）

一、檔案與檔案系統

1.1 檔案是什麼

• 檔案是對磁盤的抽象
• 所謂檔案是指一組帶辨別（辨別即為檔案名）的、在邏輯上有完整意義的資訊項的序列。
• 資訊項：構成檔案内容的基本機關（單個位元組，或多個位元組），各資訊項之間具有順序關系
• 檔案内容的意義：由檔案建立者和使用者解釋

• 

1.2 如何設計一個檔案系統

這裡先看檔案管理的需求：

• 從使用者角度

  檔案系統是如何呈現在使用者面前：

*   一個檔案的組織      

• • 如何命名
  • 如何保護檔案
  • 可以實施的操作

• 從作業系統角度：怎樣組織、管理檔案

*   檔案的描述、分類      

• 檔案目錄的實作
• 存儲空間的管理
• 檔案的實體位址
• 磁盤實際運作方式（與裝置管理的接口）
• 檔案系統的性能

1.3 檔案系統

• 作業系統中統一管理資訊資源的一種軟體，管理檔案的存儲、檢索、更新，提供安全可靠的共享和保護手段，并且友善使用者使用
• 檔案系統要完成哪些任務

1、統一管理磁盤空間，實施磁盤空間的配置設定與回收

2、實作檔案的按名存取：名字空間–映射–>磁盤空間

3、實作檔案資訊的共享，并提供檔案的保護、保密手段

4、向使用者提供一個友善使用、易于維護的接口，并向使用者提供有關統計資訊

5、提高檔案系統的性能

6、提供與IO系統的統一接口

1.4 檔案的分類

按檔案性質和用途分類（

UNIX

），一般分為普通檔案、目錄檔案、特殊檔案（裝置檔案）、管道檔案、套接字

• 普通檔案

  即使用者自己建立的檔案，包含了使用者的資訊，一般為

  ASCII

  或二進制檔案

• 目錄檔案

  管理檔案系統的系統檔案

• 特殊檔案

  字元裝置檔案：和輸入輸出有關，使用者模仿串行

  I/O

  裝置，例如終端、列印機、網卡等。

  塊裝置檔案：磁盤

1.5 檔案的邏輯結構

• 無結構的流式檔案

  對檔案内資訊不再劃分機關，它是依次的一串字元流構成的檔案。

• 有結構的記錄式檔案

  使用者把檔案内的資訊按邏輯上獨立的含義劃分資訊機關，每個機關稱為一個邏輯記錄（簡稱記錄）。

• 

• **說明：**這裡是從使用者角度看檔案，由使用者的通路方式确定，這裡給出了三種邏輯結構，還可以組織成堆、順序、索引、索引順序、散列等結構。第一種是以位元組為機關的流式結構，第二種是一種記錄式檔案結構，最後一種是樹形結構。

1.6 典型的檔案邏輯結構與檔案存取

流式檔案：構成檔案的基本機關是字元

檔案是有邏輯意義、無結構的一串字元的集合

記錄式檔案：檔案由若幹記錄組成，可以按記錄進行讀寫、查找等操作。每條記錄有其内部結構

檔案的邏輯結構與檔案存取之間的關系

順序存取（通路）

随機存取：提供讀寫位置（目前位置）。如UNIX的seek操作。

1.7 檔案的存儲媒體

1.7.1 存儲媒體與實體塊

• 典型的存儲媒體

  磁盤（包括固态盤

  SSD

  ）、錄音帶、CD光牒、

  U

  盤、…
• 實體塊（塊

  block

  、簇

  cluster

  ）

  資訊存儲、傳輸、配置設定的獨立機關

  儲存設備劃分為大小相等的實體塊，統一編号

1.7.2 典型的磁盤結構

普通磁盤構造及工作原理

• 磁道（Track）
• 柱面（Cylinder）
• 扇區（Sector）
• 磁頭（Heads）
• 盤片（Platters）
• 每個碟片都有兩面，是以也會相對應每碟片有2個磁頭。

• 

• A：磁道
• B：扇面
• C：扇區

• D：簇（扇區組）

  在硬碟上定位某一資料記錄位置—C扇區，使用了三維定位。

• 

1.7.3 磁盤通路

磁盤工作時盤片在高速旋轉，機械手臂驅動磁頭沿着徑向移動，在磁道上讀取所需要的資料。

一次通路磁盤的請求：讀寫、磁盤位址（裝置号、柱面号、磁頭号、扇區号），記憶體位址（源/目）。完成過程由三個動作組成：

1. 尋道（時間）：磁頭移動定位到指定磁道
2. 旋轉延遲（時間）：等待指定扇區從磁頭下旋轉經過
3. 資料傳輸（時間）：資料在磁盤與記憶體之間的實際傳輸

1.7.4 磁盤空間管理

位圖

用一串二進制位反映磁盤空間中配置設定使用情況，每個實體塊對應一位，配置設定的實體塊為0，否則為1。

申請實體塊時，可以在位示圖中查找1的位，傳回對應的實體塊号

歸還時，将對應位轉置1。

空閑塊表

将所有空閑塊記錄在一個表中，即空閑塊表

主要兩項内容：起始塊号，塊數

空閑塊連結清單

把所有空閑塊鍊成一個表

擴充：成組連結法

磁盤位址與塊号的轉換

成組連結法設計思想

**說明：**左上角的是一個專用塊，表示一些有用資訊，而右邊大括号中的都是空閑塊。所有空閑塊我們分成了若幹組，典型的是100塊是一組，最後一個空閑組隻有99個空閑塊。專用塊中有20個空閑塊号，分别對應右邊的空閑塊組。每次要使用檔案的時候，就從專用塊中挑選空閑塊，一般從801開始配置設定。820中的第一塊實際上是記錄了後面一塊800中空閑塊的空閑塊号和總的空塊的數量，後面的以此類推。最後一個組中的0則表示最後一組的标志。

成組連結法：配置設定算法

配置設定一個空閑塊

查

L

單元（空閑塊數）

• 當

  空閑塊數 > 1 , i = L + 空閑塊數

  ；

  從i單元得到一個空閑塊号；

  把該塊配置設定給申請者；

• 空閑塊數減1

• 空閑塊數 = 1

  ， 取出

  L + 1

  單元内容（一組的第一塊号或

  ）；

  其

  值 = 0

  無空閑塊，申請者等待

  其值不等于零，把該塊内容複制到專用塊

  該塊配置設定給申請者；

把專用塊内容讀到記憶體

L

開始的區域。

成組連結清單法：回收算法

歸還一塊

L

單元的空閑塊數

• 空閑塊數 < 100

  空閑塊數加一；

  j := L + 空閑塊數

  歸還塊号填入

  j

  單元

• 空閑塊數 = 100

  ， 則把記憶體中登記的資訊寫入歸還塊中；

  把歸還塊号填入

  L+ 1

  單元；

  将

  L

  單元置成

  1

  。