1、文件和文件系统

文件管理：把所管理的程序和数据组织成一系列的文件，并能进行合理的存储、使用等操作。

1 ）基本概念

数据项：描述对象某种属性的字符集；是数据组织中可以命名的最小逻辑数据单位。

记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性；

关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合，用于唯一的标识一个记录。

文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合。

有结构：由相关记录组成

无结构：字符流的形式

属性：类型、长度、物理位置、创建时间

2 ）文件类型

不同的系统对文件的管理方式不同

大多用扩展名标志文件类型，按如下几种方式分类文件

按用途：系统、用户、库文件

按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件

按存取控制属性：只执行、只读、读写

按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设备）文件

4）文件操作

操作系统提供哪些文件操作？

最基本的操作

创建/删除文件：分空间，形成FCB及目录（名，地址）

读、写：按名检索目录，找到文件地址，开始读、写

设置文件读写位置，实现随机存取（尤其适用于记录文件）

还需要：“打开”与“关闭”：

  文件读/写操作 = 检索 + 读/写。

每次读写前都要重复检索增大开销。所以为了方便对同一文件的多次读写，一次检索到文件后就在内存中记录其位置，避免重复检索。被记录下位置的文件就是“打开”文件；

不需要再操作文件时，通过“关闭”这个系统调用关闭文件——即从打开文件表上删除其路径信息即可。

其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作。

2、文件的逻辑结构

文件系统设计的关键要素：

如何构成一个文件，以及如何存储在外存。

文件结构：

文件的逻辑结构file logical structure：按用户观点如何组织数据；又称文件组织file organization

基本要求：检索速度高、方便修改、降低存储空间费用（不连续）

文件的物理结构：根据外存上的物理块的分配机制，记录文件外存的存储结构。用户感知不到的。

1）文件逻辑结构的类型

有结构文件（记录式）

①定长记录

②变长记录

如何组织记录：

顺序文件。系统需按该类型记录“长度”，通常定长。

索引文件。系统需为文件建立索引表。

索引顺序文件。建索引表，记录每组记录的第一个记录位置。

无结构文件（字符流式）

字节为单位，利用读写指针依次访问。

系统对该类文件不需格式处理。

①顺序文件

两种记录排列方式

串结构：按记录形成的时间顺序串行排序。记录顺序与关键字无关；

顺序结构：按关键字排序。

检索方法：

从头检索，顺序查找要找的记录，定长的计算相对快。

顺序结构，可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率

②索引文件

为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表，记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度；该索引表按关键字排序，。

索引表内容：

索引号、长度、记录地址指针

检索效率

索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件，所以能利用算法提高索引表检索速度

折半检索过程举例

1.给出用户关键字

2.检索索引表(设有n条记录,设一个索引表项占x字节)，则索引表的x*n/2字节处记录着n/2号记录的地址

3.根据第2步的地址，读一条记录，若记录中关键字不匹配，再判断找第n/4还是第n/2+n/4条记录

一个索引文件可以有多个索引表

     为方便用户根据不同记录属性检索记录，为顺序文件建立多个索引表，每种能成为检索条件的域都配备一张索引表。

索引文件的优缺点

适用于变长记录，可提高检索速度，实现直接存取

索引表增加了存储开销

③索引顺序文件

既要方便，又要降低开销

本方式是最常见的一种逻辑文件形式。

将顺序文件的所有记录分组

还是建立索引表，但每个表项记录的是每组第1条记录的键值和地址。

组内记录仍按顺序方式检索和使用。

检索一条记录的过程：

先计算记录是在第几组，然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找。

可利用多级索引，进一步提高检索效率。

3、外存分配方式

目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度

常用三种方式：

连续分配

链接分配（不连续）

索引分配

通常一个系统中仅采用一种方式

采用的磁盘分配方式决定了文件的“物理结构”

顺序结构；链接式结构；索引式结构。

注意与逻辑结构名类似但不是一回事。

3）索引分配

链接的不足

顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取，仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。

链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间。当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间。这是令人难以忍受的

改进：

系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存

每个文件单独建索引表（物理盘块索引），记录所有分配给它的盘块号；

建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；

混合组织索引（增量式索引组织方式）

多种索引方式相结合，以UNIX system V的索引结点为例：

一个索引结点定义为13个地址项：iaddr（0）~iaddr（12），总的来说分为两种：直接地址、间接地址

iaddr（0）~iaddr（9）存放直接地址，即存文件数据的盘块号；

iaddr（10）存放单级索引的索引盘块号；

剩余的用于文件较大时存放多级索引数据。

iaddr（11）存放二级索引的主索引盘块号

iaddr（12）存放三级索引的主索引盘块号

索引文件在顺序访问或随机访问中都比较灵活，是一种比较

好的文件物理结构，但也是需要一定的用于索引表的空间开销和检索文件索引的时间开销的。

UNIX系统是使用索引结构成功的例子。

4、存储空间的管理

为实现存储空间分配，系统需要：

记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；

提供对存储空间分配、回收的操作手段。

典型的管理方法：

1）空闲表和空闲链表法

2）位示图法

3）成组链接法