操作系统-文件管理

8.1 文件和文件系统

文件管理这一章看起来零碎，实际上围绕的是一个很统一的问题：操作系统怎样把外存上的数据组织成“用户能按名字访问、系统能高效管理”的形式。文件、目录、FCB、索引节点、保护机制，本质上都在服务这个目标。

文件、记录和数据项

文件内部常按三级层次来理解：

• 数据项：最基本的数据组织单位。可以分为基本数据项和组合数据项
• 记录：一组相关数据项的集合，其中关键字段可唯一标识一条记录
• 文件：由创建者定义的相关信息集合，在逻辑上具有结构，也是逻辑外存的最小分配单位

这个层次关系很重要，因为后面说“有结构文件”“记录式文件”“关键字检索”时，本质上都建立在记录和数据项之上。

文件名和文件类型

• 文件名：用户通过文件名访问文件，而操作系统内部通常通过 FCB 管理文件
• 文件类型：
  • 普通文件：文本文件、二进制文件、可执行文件等
  • 目录文件：专门用于管理其他文件
  • 特殊文件：设备文件，例如 Unix 中的块设备和字符设备

文件系统

文件系统的定义

文件系统通常可以从三个层面理解：

1. 对象及其属性：文件、目录、磁盘空间，以及它们对应的管理信息
2. 软件集合：负责管理这些对象的软件模块
3. 接口：对用户和进程提供文件操作接口

也就是说，文件系统不只是“磁盘上的目录树”，而是一整套从数据组织到访问接口的管理机制。

文件系统的层次结构

自底向上通常可分为五层：

• I/O 控制层：设备驱动、中断处理、数据传送
• 基本文件系统：直接与设备驱动通信，处理磁盘块读写
• 基本 I/O 管理程序：完成文件逻辑块号到物理块号的转换
• 逻辑文件系统：管理 FCB、目录、存储空间等元数据
• 用户 / 应用层：通过系统调用访问文件系统

这种分层思路和 I/O 系统分层很像，目的都是把上层的“按名访问”与底层的“按块读写”隔开。

文件操作

文件操作里最基础的是 6 个：

操作	说明
Create	分配 FCB 并分配存储空间
Delete	释放空间并删除 FCB
Open	把 FCB 读入内存打开文件表，返回文件描述符
Close	释放内存表项，并把修改后的 FCB 写回磁盘
Read	从读指针位置读数据，并推进指针
Write	从写指针位置写数据，并推进指针

Open 和 Close 的意义尤其常考：

• Open 的关键不是“宣布文件打开”，而是把磁盘上的文件控制信息调入内存，后续读写就不必每次都查盘
• Close 也不只是“关掉文件”，还包括把内存中被修改过的控制信息写回磁盘

此外还常见：

• Append
• Seek
• Rename
• Get / Set Attributes

8.2 文件的逻辑结构

文件的逻辑结构说的是：从用户和应用程序视角看，文件内部的数据是按什么方式组织的。它强调的是“逻辑上的排列方式”，不等于磁盘上的物理存放方式。

文件逻辑结构的类型

按文件是否有结构来分：

• 有结构文件：由若干相关记录组成，又称记录式文件
• 无结构文件：由字符流或字节流构成，又称流式文件，例如文本文件、源程序文件

按组织方式来分：

• 顺序文件
• 索引文件
• 索引顺序文件

顺序文件

• 顺序文件：文件中的记录按某种顺序排列而成
• 排列方式有两种：
  • 串结构：记录顺序与关键字无关，通常按存入时间排列
  • 顺序结构：记录按关键字次序排列

顺序文件的优点是结构简单、适合顺序存取、批处理效率高。若采用顺序结构，按关键字查找也会更方便。

顺序文件记录寻址

• 隐式寻址：只能按顺序逐个找记录，多用于串结构
• 显式寻址：可直接给出记录号访问记录，多用于定长记录文件

索引文件

• 索引文件：为文件建立索引表，索引表中记录关键字和记录地址
• 查找时可以先查索引，再直接定位到对应记录
• 如果要按多个关键字检索，可以建立多个索引表

它的核心优势是检索快，但代价是需要额外维护索引。

索引顺序文件

• 索引顺序文件：把顺序文件和索引文件结合起来
• 基本思路是先把记录分组、组内顺序存放，再对每组建立索引项

常见形式：

• 一级索引顺序文件：只建立一层组索引
• 两级索引顺序文件：文件更大时，再对一级索引表建立索引

直接文件和哈希文件

• 直接文件：根据关键字可直接定位记录位置
• 哈希文件：通过哈希函数把关键字转换成地址

哈希文件查找速度快，但不同关键字可能映射到同一地址，因此会产生冲突问题。

8.3 文件目录

如果说文件逻辑结构解决的是“文件内部怎么组织”，那文件目录解决的就是“用户怎样按名字找到文件”。目录本质上是一种特殊的管理数据结构。

文件控制块和索引节点

• FCB：文件控制块，是文件存在的标志，通常记录文件名、类型、物理地址、长度、存取控制信息、建立时间等
• 索引节点：把文件名和文件描述信息分开存放，目录项中主要保留文件名和索引节点号，其余信息放入索引节点

引入索引节点的主要目的，是缩短目录项长度、提高目录检索效率。

简单的文件目录

• 单级文件目录：整个文件系统只有一张目录表，实现简单，但不允许文件重名，也不适合多用户系统
• 两级文件目录：分为主文件目录和用户文件目录，允许不同用户的文件重名，但同一用户的文件仍不能重名

这两种结构都比较简单，能帮助理解目录系统为什么会继续演进。

树形目录

• 树形目录：把各级目录组织成一棵树，根目录在最上层，子目录和文件作为分支
• 优点是层次清楚、便于分类管理，现代文件系统大多采用这种思路

与树形目录配套的概念包括：

• 绝对路径：从根目录出发的路径
• 相对路径：从当前目录出发的路径
• 当前目录：用户当前工作的目录

常见目录操作有：

• 创建目录
• 删除目录
• 改变当前目录
• 显示目录内容
• 按路径存取文件

无环图目录

• 无环图目录：在树形目录基础上允许一个文件或子目录拥有多个父目录
• 主要优点是便于文件共享

但这会带来删除问题，因此通常会为共享文件设置共享计数器，只有计数器减到 0 才真正删除文件。

8.4 文件共享

文件共享的核心是：多个用户或多个目录如何共同使用同一份文件，又不把系统搞乱。教材里常见两种实现思路。

利用有向无环图实现文件共享

• 有向无环图：在树形目录基础上，允许同一文件或子目录被多个目录共享，但整体结构中不能出现环
• 不同目录项可以指向同一个索引节点，多个用户共享的其实是同一个文件实体，而不是复制出来的多个副本
• 为了保证删除正确，通常要设置共享计数器；只有计数器减为 0 时，才真正删除文件

利用符号链接实现文件共享

• 符号链接的基本思想是建立一个 Link 类型文件，其中保存目标文件的路径名
• 当用户访问符号链接时，系统先读出路径，再根据路径找到真正目标文件

优点：

• 实现简单
• 便于跨文件系统共享
• 不要求多个目录项必须直接指向同一个索引节点

缺点：

• 访问时要多做一次路径解析，开销更大
• 如果原文件被删除，链接会失效，形成悬空链接

8.5 文件保护

文件共享解决的是“能不能一起用”，文件保护解决的是“谁能怎么用”。也就是说，系统不仅要允许访问，还要限制访问。

保护域

• 访问权：进程对某对象执行某种操作的权利，例如读、写、执行
• 保护域：一组访问权的集合，规定某进程当前能访问哪些对象、能做哪些操作

进程和域的关系有两种：

• 静态联系：进程固定属于某个域，运行期间不变
• 动态联系：进程可在运行过程中切换到其他域

访问矩阵的概念

• 访问矩阵：行表示域，列表示对象，矩阵元素表示“某域对某对象拥有哪些访问权”
• 如果矩阵元素中包含 switch 权，则表示进程可从一个域切换到另一个域

访问矩阵这个模型本身很抽象，但它的价值在于把文件保护统一成了一个可以分析和实现的框架。

访问矩阵的修改

• 复制权：允许把某种访问权复制给其他域
• 所有权：对象拥有者可增删该对象的访问权
• 控制权：若某域对另一域具有控制权，可修改对应访问矩阵项

访问矩阵的实现

• 访问控制表 ACL：按列实现。为每个对象建立一张表，记录哪些域对它拥有哪些访问权
• 访问权限表 / 能力表：按行实现。为每个域建立一张表，记录它对哪些对象拥有哪些访问权

这两种实现方式，一个偏“以对象为中心”，一个偏“以主体为中心”。

8.6 文件系统的实现

文件系统真正落地时，操作系统不仅要决定逻辑结构和目录结构，还要把磁盘上的信息与内存中的管理信息组织起来，使“按名存取方便”和“访问效率高”这两个目标同时成立。

实现原则

• 磁盘上的主要信息包括：引导控制块、卷控制块、目录结构、文件 FCB 以及其他文件系统相关信息
• 内存中的主要信息包括：挂载信息表、目录缓存、系统打开文件表、进程打开文件表、文件数据块缓存

可以看出，磁盘上更偏持久化管理，内存中更偏运行时加速。

磁盘分区

• 主分区：可直接建立文件系统，也可用于启动操作系统
• 扩展分区：自身不能直接存放普通数据，主要作用是继续划分出多个逻辑分区
• 逻辑分区：建立在扩展分区中，可像普通分区一样建立文件系统并使用

文件系统挂载

• 文件系统挂载：把一个文件系统接入操作系统目录树，挂到某个挂载点之后，用户才能通过统一路径访问它

挂载时通常需要做几件事：

• 验证设备与文件系统类型是否匹配
• 读取该文件系统的卷控制信息
• 把相关信息加入挂载信息表

挂载完成后，原目录树与新文件系统会连成一个整体；卸载后，该文件系统再从目录树中分离出来。