文件定義

是由創(chuàng)建者所定義的，具有文件名的一組相關(guān)元素的集合

文件分類

按用途分：系統(tǒng)文件、用戶文件、庫文件

按存取控制屬性分：只執(zhí)行文件、只讀文件、讀寫文件

按組織形式和處理方式分：普通文件、目錄文件、特殊文件

按數(shù)據(jù)形式分：源文件、目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件

文件的操作

建立（create系統(tǒng)調(diào)用）

找到文件所需的空間、

創(chuàng)建該文件對應(yīng)的目錄項

刪除（delete）

找到文件名對應(yīng)的目錄項

回收文件占用的磁盤塊

刪除文件對應(yīng)的目錄項

打開（open）

找到文件名對應(yīng)的目錄項

將目錄項復(fù)制到內(nèi)存中的打開文件表中，用戶使用打開文件表的編號來指明要操作的文件

每個進程都有打開文件表，系統(tǒng)有一張總的打開文件表

進程打開文件表特有屬性：讀寫指針、訪問權(quán)限

系統(tǒng)打開文件表中特有屬性:打開計數(shù)器

關(guān)閉（close）

將進程打開文件表相應(yīng)表項刪除

回收分配給該文件的內(nèi)存空間等資源

系統(tǒng)的打開文件表的打開計數(shù)器count減一，若count=0，則刪除對應(yīng)表項

讀（read）

根據(jù)讀指針，讀入數(shù)據(jù)量、內(nèi)存位置將文件數(shù)據(jù)從外存調(diào)入內(nèi)存

寫（write）

根據(jù)寫指針，寫出數(shù)據(jù)量、內(nèi)存位置將文件數(shù)據(jù)從內(nèi)存寫出外存

文件的邏輯結(jié)構(gòu)

無結(jié)構(gòu)文件（流式文件）如文本文件

有結(jié)構(gòu)文件（記錄式文件）如數(shù)據(jù)庫表

每條記錄有一個數(shù)據(jù)項可作為關(guān)鍵字，根據(jù)各條記錄的長度是否相等，可以分為定長記錄和可變長記錄。

根據(jù)有結(jié)構(gòu)文件在邏輯上如何組織可以分為以下三類

順序文件：存取速度快，插入或刪除記錄困難，不利于動態(tài)擴充?？勺冮L文件無法實現(xiàn)隨機存取，只能從第一個記錄開始往后找。定長記錄可以實現(xiàn)隨機存取，采用順序結(jié)構(gòu)可以快速的找到關(guān)鍵字對應(yīng)的記錄。

串結(jié)構(gòu)：記錄之間的順序與關(guān)鍵字無關(guān)。

順序結(jié)構(gòu)：記錄之間調(diào)度順序按關(guān)鍵字排序排列

索引文件：檢索速度快，插入或刪除記錄方便，系統(tǒng)開銷大。本身是定長記錄的順序文件，主要用于對信息處理的及時性要求比較高的場合?？梢杂貌煌臄?shù)據(jù)項建立多個索引表。

索引順序文件：順序存取速度快，隨機訪問，增、刪、改記錄方便。與索引文件不同的是，并不是每個記錄對應(yīng)一個索引表項，而是一組記錄對應(yīng)一個索引表項。

在檢索效率分析上，順序文件由10000個記錄，從頭開始順序查找，平均查找5000個記錄。采用索引順序文件，可以把10000個文件分為100組，每組100個記錄，需要先順序查找索引表扎到分組，平均50次，找到分組后再順序查找記錄，平均50次。一共平均查找次數(shù)為100次。

為了進一步提高查找效率，可以建立多級索引表，對于一個1000000個記錄，可以建立一張低級索引表，每100個記錄為1組，低級索引表中有10000個表項，再將這10000個記錄分組，每組100個，建立頂級索引表。頂級索引表有100個表項。

為n個記錄建立k級索引，最優(yōu)的分組是每組。檢索一個記錄的平均查找次數(shù)為(/2)*(k+1)。

文件目錄

文件控制塊（FCB）：包含基本信息、存取控制信息、使用信息

FCB的有序集合被稱為“文件目錄”，一個FCB就是一個文件目錄項。FCB包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、邏輯結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)等），存取控制信息，使用信息。最重要最基本的還是文件名、文件存放的物理地址。

索引節(jié)點：包括磁盤索引節(jié)點和內(nèi)存索引節(jié)點

目錄結(jié)構(gòu)：單級目錄結(jié)構(gòu)、兩級目錄結(jié)構(gòu)、樹形目錄結(jié)構(gòu)、圖形目錄結(jié)構(gòu)

單級目錄中，整個系統(tǒng)只建立一張目錄表，每個文件占一個目錄項，實現(xiàn)了按名存取，不允許文件重名。

早期多用戶操作系統(tǒng)中，采用兩級目錄結(jié)構(gòu)，分為主文件目錄和用戶文件目錄。主文件目錄記錄用戶名和相應(yīng)的用戶文件的存放位置。允許不同用戶的文件重名，文件名相同但是對應(yīng)的文件不同。可以再目錄上實現(xiàn)訪問限制。

多級目錄結(jié)構(gòu)（樹形目錄結(jié)構(gòu)）用戶訪問某個文件要用文件路徑名標(biāo)識文件，各級目錄之間用“/”分開，從根目錄出發(fā)的路徑被稱為絕對路徑。系統(tǒng)根據(jù)絕對路徑一層一層找到下級目錄，最開始從外存讀入根目錄的目錄表，找到下級目錄后，再從外存繼續(xù)讀入目錄表?？梢栽O(shè)置一個當(dāng)前目錄，使得不用每次從根目錄查找。在linux中，“.”表示當(dāng)前目錄。引入當(dāng)前目錄和相對路徑后，磁盤I/O的次數(shù)減少，提升了訪問文件的效率。

樹形目錄結(jié)構(gòu)可以很方便地對文件進行分類，層次結(jié)構(gòu)清晰，也能夠有效地進行文件的管理與保護，但是樹形結(jié)構(gòu)不便于實現(xiàn)文件的共享。因此，提出了無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)。

在無環(huán)圖目錄結(jié)構(gòu)中，可以使用不同的文件名指向同一個文件，甚至可以指向同一個目錄。需要為每個共享結(jié)點設(shè)置一個共享計數(shù)器，記錄此時有多少個地方在共享該結(jié)點。用戶提出刪除結(jié)點的請求時，只是刪除該用戶的FCB，并使得共享計數(shù)器減一。只有共享計數(shù)器減為0時，才刪除結(jié)點。在共享文件中，各個用戶指向的是同一個文件，因此只要其中一個用戶修改了文件數(shù)據(jù)，那么所有用戶都可以看到文件數(shù)據(jù)的變化。

索引結(jié)點改進：在FCB中只記錄文件名和索引結(jié)點指針字段，其他文件描述信息全部存放到索引節(jié)點上。這樣的話每個磁盤塊可以多存放目錄項，大大提升文件檢索速度。存放在外存中的索引結(jié)點稱為磁盤索引結(jié)點，放入內(nèi)存后稱為內(nèi)存索引結(jié)點。內(nèi)存索引結(jié)點需要增加一些信息，如文件是否被修改，當(dāng)前有幾個進程正在訪問該文件。

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文件共享

硬鏈接（基于索引結(jié)點）和軟鏈接（符號鏈接）

硬鏈接：在索引結(jié)點上設(shè)置一個鏈接計數(shù)變量count，表示鏈接到本索引結(jié)點上的用戶目錄項目數(shù)。若某個用戶需要刪除該文件，則只需把用戶目錄中與該文件對應(yīng)的目錄項刪除，且索引結(jié)點的count減一。若count>0,則不能把文件數(shù)據(jù)刪除，當(dāng)count=0時，系統(tǒng)負責(zé)刪除文件。

軟鏈接：當(dāng)訪問文件時，操作系統(tǒng)判斷該文件屬于link類型文件，會根據(jù)其中記錄的路徑層層查找目錄，最終找到找到最終目錄表的表項，類似于快捷方式。即使軟鏈接指向的共享文件已被刪除，link文件依然存在，只是通過link型文件中的路徑區(qū)查找共享文件會失敗。用軟鏈接訪問共享文件會查詢多級目錄，會有多次磁盤I/O，因此訪問共享文件的速度要比硬鏈接慢。

文件的物理結(jié)構(gòu)

磁盤塊的大小與內(nèi)存塊，頁面的大小相同

在外存管理中，文件的邏輯地址空間被分為了一個一個的文件塊。文件的邏輯地址可以表示為（邏輯塊號，塊內(nèi)地址）的形式。

連續(xù)分配

連續(xù)分配方式要求每個文件在磁盤上占有一組連續(xù)的塊

用戶給出要訪問的邏輯塊號，操作系統(tǒng)找到該文件對應(yīng)的目錄項（FCB）物理塊號=起始塊號+邏輯塊號。還需要檢查用戶提供的邏輯塊號是否合法（邏輯塊號》=長度就不合法）

可以直接算出邏輯塊號對應(yīng)的物理塊號，因此連續(xù)分配支持順序訪問和直接訪問（隨機訪問）

連續(xù)分配的文件在順序讀寫時速度最快

物理上連續(xù)分配的文件不方便拓展

物理上采用連續(xù)分配，存儲空間利用率低，會產(chǎn)生難以利用的磁盤碎片?？梢杂镁o湊處理碎片，但是會耗費很大的時間代價。

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鏈接分配（隱式鏈接、顯式鏈接）

隱式鏈接：除了文件的最后一個磁盤塊之外，每個磁盤塊都會保存指向下一個盤塊的指針，這些指針對用戶是透明的。目錄項記錄起始塊號和結(jié)束塊號。采用鏈接分配（隱式鏈接）只支持順序訪問，不支持隨機訪問，查找效率低。另外，指向下一個盤塊的指針頁需要耗費少量的存儲空間。

采用隱式鏈接的鏈接分配方式，很方便文件拓展，不會有碎片問題，外存利用率高。

顯式鏈接：把用于鏈接文件各物理塊的指針顯示地存放在一張表中，即文件分配表（FAT）。一個磁盤僅設(shè)置一張FAT，開機時，將FAT讀入內(nèi)存，并常駐內(nèi)存。FAT的各個表項在物理上連續(xù)存儲，且每一個表項長度相同，因此物理塊號字段時隱含的。

用戶給出邏輯塊號，操作系統(tǒng)找到該文件目錄項FCB，F(xiàn)CB只記錄起始塊號，從目錄項中找到起始塊號，查找內(nèi)存中的文件分配表FAT（開機后常駐內(nèi)存），往后找i號邏輯塊對應(yīng)的物理塊號。邏輯塊號轉(zhuǎn)換成物理塊號的過程不需要讀磁盤操作。采用顯式鏈接的方式的文件，支持隨機訪問，而且不需要訪問磁盤，相比隱式鏈接來說快很多。顯式鏈接也不會產(chǎn)生外部碎片，可以很方便對文件進行拓展。缺點是文件分配表會占用一定的存儲空間。

索引分配

索引分配允許文件離散地分配在各個磁盤塊中。系統(tǒng)會為每個文件建立一張索引表，索引表中記錄了文件的各個邏輯塊對應(yīng)的物理塊。索引表存放的磁盤塊被稱為索引塊。文件數(shù)據(jù)存放的磁盤塊稱為數(shù)據(jù)塊。目錄中需要記錄索引塊是幾號磁盤塊

用戶給出邏輯塊號，操作系統(tǒng)找到該文件對應(yīng)的目錄項FCB。從目錄項中可以得知索引表存放位置，將索引表從外存讀入內(nèi)存，并查找索引表即可看到邏輯塊在外存中的存放位置。

索引分配方式可以支持隨機訪問，文件拓展也很容易實現(xiàn)。但是索引表需要占用一定的存儲空間。

文件過大，導(dǎo)致磁盤塊裝不下索引表，可以采用下面方案

鏈接方案：如果索引表太大，一個索引塊裝不下，可以將多個索引塊鏈接起來存放。但是只能順序訪問，低效。

多層索引：建立多層索引（類似于多級頁表）。第一層索引塊指向第二層索引塊，還可以根據(jù)文件大小建立多層索引。如2級索引表，訪問一次一級索引，再訪問一次二級索引，最后訪問目標(biāo)數(shù)據(jù)塊，需要3次讀磁盤。k層索引，且頂級索引表未引入內(nèi)存，只需要k+1次讀磁盤操作。

混合索引：多種索引方式的結(jié)合，在頂級索引表中，既包含直接索引地址（直接指向數(shù)據(jù)塊）還包含一級間接索引，兩級間接索引。

超級重要考點：要會根據(jù)多層索引、混合索引的結(jié)構(gòu)計算出文件的最大長度。要能分析訪問某個數(shù)據(jù)塊所需要的讀磁盤次數(shù)（FCB中會存有指向頂級索引表的指針，可以根據(jù)FCB讀入頂級索引塊，每次讀入下一級的索引塊都需要一次讀磁盤操作）要注意題目條件--頂級索引塊是否已經(jīng)調(diào)入內(nèi)存。

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文件系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

最高層：文件系統(tǒng)接口

中間層：對對象操縱和管理的軟件集合

最底層：對象及其屬性

在磁盤區(qū)中，分為目錄區(qū)和文件區(qū)，目錄區(qū)存放FCB，用于磁盤存儲空間管理的信息。

外存空閑空間管理方法

空閑表法（適用于連續(xù)分配方式）

分配磁盤塊：為一個文件分配連續(xù)的存儲空間，可以采用首次適應(yīng)、最佳適應(yīng)、最壞適應(yīng)等算法來決定要為文件分配哪個區(qū)間?；厥沾疟P塊也和內(nèi)存管理中的動態(tài)分區(qū)類似，回收要注意表項的合并問題。

空閑鏈表法（適用于離散分配的物理結(jié)構(gòu)）

空閑盤塊鏈，以盤塊為單位組成一條空閑鏈，空閑盤塊存儲者下一個空閑盤塊的指針。某個文件申請k個盤塊，從鏈頭開始一次摘下k個盤塊分配，并修改空閑鏈的鏈頭指針?；厥盏谋P塊依次掛到鏈尾，并修改鏈尾指針

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空閑盤區(qū)鏈，以盤區(qū)為單位組成一條空閑鏈，連續(xù)空閑的盤塊組成一個盤區(qū)，空閑盤區(qū)的第一個盤塊記錄了盤區(qū)長度和下一個盤區(qū)的指針。某個文件申請k個盤塊，可以采用首次適應(yīng)，最佳適應(yīng)算法，從鏈頭開始檢索，按照算法規(guī)則找到一個大小符合的空閑盤區(qū)分配給文件。若沒有合適的連續(xù)空閑塊，也可以將不同的盤區(qū)的盤塊分配給一個文件。

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位示圖法

每個二進制位對應(yīng)一個盤塊。在本例中，“0”代表盤塊空閑，“1”代表盤塊已分配。位視圖一般用連續(xù)的“字”來表示。如一個字的字長是16位，可以用（字號，位號）對應(yīng)一個盤塊號。有的題目也描述為（行號，列號）最重要的是自己能推出盤塊號與（字號，位號）。注意題目中盤塊號、字號、位號是從0開始還是1開始。n表示字長，字號，位號（i，j）的二進制位對應(yīng)的盤塊號b=ni+j。 b號盤塊對應(yīng)的字號i=b/n，位號j=b/n

若文件需要k個塊，順序掃描位示圖，找到k個相鄰或者不相鄰的“0”。根據(jù)字號、位號計算出盤塊號，并把盤塊分配給文件。將相應(yīng)位設(shè)置位“1”。回收時根據(jù)盤塊號計算出對應(yīng)的字號，位號。將相應(yīng)的二進制位設(shè)為“0”

成組鏈接法（unix使用）

文件卷的目錄區(qū)中專門用一個磁盤塊作為超級塊，當(dāng)系統(tǒng)啟動時需要將超級塊讀入內(nèi)存，并且要保證內(nèi)存與外存中的超級塊數(shù)據(jù)一致。

文件保護

口令保護

為文件設(shè)置一個口令，用戶想要訪問文件時需要提供口令，系統(tǒng)驗證口令是否正確

實現(xiàn)開銷小，但口令一般存放在FCB或者索引結(jié)點中，不太安全

加密保護

用一個密碼進行文件加密，訪問文件需要提供相應(yīng)的密碼

安全性高，但加解密需要花費一定的時間

訪問控制

用一個訪問控制表（ACL）記錄各個用戶對文件的訪問權(quán)限

對文件的訪問類型可以分為：讀寫執(zhí)行刪除

實現(xiàn)靈活，可以實現(xiàn)復(fù)雜的文件保護功能。

虛擬文件系統(tǒng)

是對各種文件系統(tǒng)的一個抽象，為各種文件系統(tǒng)提供一個通用接口；存在于內(nèi)存，運行在內(nèi)核態(tài)

虛擬文件系統(tǒng)是向上層用戶進程提供一個統(tǒng)一標(biāo)準的系統(tǒng)調(diào)用接口，屏蔽底層具體文件系統(tǒng)的實現(xiàn)差異。通俗來講，這個虛擬文件系統(tǒng)VFS統(tǒng)一了UFS文件系統(tǒng)，NTFS文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT文件系統(tǒng)等，對不同的設(shè)備進行了統(tǒng)一的調(diào)用。

VFS要求下層的文件系統(tǒng)必須實現(xiàn)某些規(guī)定的函數(shù)功能，如open/read/write等。一個新的文件系統(tǒng)想要在某操作系統(tǒng)上被使用，就必須滿足該操作系統(tǒng)VFS的要求。

每打開一個文件，VFS就在主存中新建一個vnode，用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示文件，無論該文件存儲在哪個文件系統(tǒng)。（vnode只存在于主存中，inode既會調(diào)入主存，也會在外存中存儲）

打開文件后，創(chuàng)建vnode，并將文件信息復(fù)制到vnode中，vnode的功能指針指向具體文件系統(tǒng)的函數(shù)功能。具體文件系統(tǒng)也就是UFS，F(xiàn)AT之類的，

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文件系統(tǒng)掛載

文件系統(tǒng)掛載與文件系統(tǒng)通過掛載進行關(guān)聯(lián)

文件系統(tǒng)掛載是指文件系統(tǒng)安裝/裝載，指的是如何將一個文件系統(tǒng)掛載到操作系統(tǒng)中。

文件系統(tǒng)掛載要做的事情（指的具體的文件系統(tǒng)）：

在VFS中注冊新掛載的文件系統(tǒng)，內(nèi)存中的掛載表（mount table）包含每個文件系統(tǒng)的相關(guān)信息，包括文件系統(tǒng)類型、容量大小等。新掛載的文件系統(tǒng)，要向VFS提供一個函數(shù)地址列表。將新文件系統(tǒng)加到掛載點，也就是將新文件系統(tǒng)掛載到某個父目錄下。

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文件系統(tǒng)的全局結(jié)構(gòu)

原始磁盤（什么也沒有，磁盤空空的）

物理格式化，也就是低級格式化。將磁盤劃分扇區(qū)，檢測壞扇區(qū)，并用備用扇區(qū)替換壞扇區(qū)。

邏輯格式化，磁盤分區(qū)（分卷）完成各分區(qū)的文件系統(tǒng)初始化。磁盤分區(qū)有主引導(dǎo)記錄（MBR，包含磁盤引導(dǎo)程序和分區(qū)表），c盤，D盤，E盤等。

Open系統(tǒng)調(diào)用打開文件的背后過程。第一步先根據(jù)路徑一級一級讀入目錄。找到目標(biāo)文件的FCB，復(fù)制到系統(tǒng)打開文件表。在進程打開文件表中新建一個條目，并返回文件描述符。