文件管理

4.1_1 初识文件管理

文件的概念

文件是以硬盘为载体的存储在计算机上的信息集合
系统运行时，计算机以进程为载体进行资源调度和分配；而用户进行输入和输出中，以文件为基本单位

文件的属性

操作系统通过文件控制块FCB来维护文件元数据

  1. 文件名：方便用户找到文件。同一目录下不允许有重名文件
  2. 标识符：os用于区分各个文件的一种内部名称
  3. 类型：指明文件的类型
  4. 位置
    1. 存放路径：给用户使用
    2. 在外存中的地址：os使用，用户不可见
  5. 大小
  6. 创建修改时间
  7. 文件创建者、所有者
  8. 保护信息：对文件进行保护的访问控制信息

文件内部数据如何组织？

  • 无结构文件：例如文本文件，由二进制或字符流组成，又称流式文件
  • 有结构文件：例如数据库表，由一组相似的记录组成，又称记录式文件
    • 各个记录之间如何组织（顺序存放 or 索引表）是文件的逻辑结构探讨的问题

文件之间如何组织？

  • 目录结构

操作系统应该向上提供哪些功能

  • 创建文件
  • 读文件
  • 写文件
  • 删除文件
  • 打开文件（读写文件前需要打开文件
  • 关闭文件（读写文件后需要关闭文件
  • 截断文件：允许文件所有属性不变，删除文件内容，长度设置为0并释放空间

从上往下看，文件应该如何存放在外存

其他需要操作系统实现的文件管理功能

文件共享

文件保护

防止文件共享可能导致文件被破坏或被未经核准的用户修改

文件保护通过口令保护、加密保护和访问控制实现。其中口令和加密是为防止文件被他人窃取或存取，访问控制用于控制用户对文件的访问方式

访问类型

对文件的保护可从限制对文件的访问类型中出发。可加以控制的访问类型包括

  1. 读文件
  2. 写文件
  3. 执行文件：将文件装入内存中并执行
  4. 添加：将新信息添加到文件结尾部分
  5. 删除：删除文件，释放空间
  6. 列表清单：列出文件名和文件属性

其他高层功能操作可以通过系统程序调用低层系统调用实现。保护可以只在低层提供

访问控制

访问控制常用方法是根据用户身份进行控制：为每个文件和目录增加一个访问控制列表，规定每个用户名及其允许的访问类型。精简的访问列表采用

  1. 拥有者：创建文件的用户
  2. 组：一组需要共享文件且具有相似访问的用户
  3. 其他：系统内所有其他用户
  • 口令：用户在创建一个文件时提供口令（附在FCB中），同时告知允许共享该文件的所有用户。用户请求访问文件时需要提供口令
    • 优点：时间空间开销不大
    • 缺点：口令直接存在系统内部，不够安全
  • 密码：用户对文件进行加密，访问时需要提供密钥。
    • 优点：保密性强，节约空间
    • 缺点：编码和译码都需要时间

4.1_2 文件的逻辑结构

  • 逻辑结构：用户看来，文件内部的数据如何组织起来
  • 物理结构：操作系统看来，文件的数据如何存放在外存中

有结构文件的逻辑结构

顺序文件

文件中的记录顺序排列，记录可以是定长或可变长的，各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储

  • 串结构：记录之间的顺序与关键字无关
  • 顺序结构：记录之间的顺序按照关键字顺序排列
  1. 链式存储无法实现随机存取
  2. 顺序存储可变长记录，无法随机存取
    1. 原因：无法预知每条记录的长度
  3. 顺序存储定长记录
    1. 可实现随机存取
    2. 采用顺序结构可以快速找到某关键字对应的记录
    3. 缺点是增加/删除记录困难

Tips：题目说的顺序文件指的是物理上顺序存储的顺序文件

索引文件

  1. 建立一张索引表加快文件检索速度，每条记录对应一个索引项
    1. 索引表本身是定长记录的顺序文件，可以随机存取
  2. 文件中的记录在物理上可以离散存放
  3. 可以用不同的数据项建立多个索引表
  4. 主要用于需要对信息处理的及时性要求较高的场合

索引顺序文件

为了解决索引文件空间利用率低的问题

  1. 一组记录对应一个索引表项
  2. 为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立多级索引表

4.1_3 文件目录

文件控制块

文件控制块FCB是用于存放控制文件所需的各种信息的数据结构

  1. FCB的有序集合称为文件目录，一个FCB就是一个文件目录项
  2. 一个文件目录也被视为一个文件，称为目录文件
  3. FCB包含文件的基本信息、存取控制信息、使用信息
  4. FCB中最重要最基本是文件名、文件存放的物理地址；FCB实现文件名和文件之间的映射，使用户程序可以实现按文件名存取

需要对目录进行的操作

  1. 搜索
  2. 创建文件：在其所属目录中新增一个目录项
  3. 删除文件：在目录中删除相应的目录项
  4. 显示目录：用户可以请求显示目录内容
  5. 修改目录：文件属性变化时需要修改相应的目录项

目录结构

单级目录结构

早期操作系统不支持多级目录，整个系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项

  1. 实现了按名存取
  2. 不允许文件名重复
  3. 不适用于多用户操作系统

两级目录结构

早期操作系统，采用两级目录结构，分为主文件目录(MFD)和用户文件目录*(UFD)

多级目录结构（树形目录结构

  1. 文件分类方便
  2. 可以有效进行文件的管理和保护
  3. 缺点：不方便实现文件共享（为此提出“无环图目录结构”

无环图目录结构

索引节点 FCB的改进

思路：查找目录的过程中，只需要用到文件名，找到后才需要调出其他信息，因此这部分信息没有必要调入内存

  • 存放在外存的索引节点称为磁盘索引节点
  • 索引节点放入内存后称为内存索引节点
  • 相比之下内存索引节点需要增加一些信息，例如文件是否被修改，此时有几个进程在访问该文件

4.1_4 文件的物理结构（文件分配方式

连续分配

每个文件在磁盘上占有一组连续的块

  1. 文件目录记录存放的起始块号和长度（占用多少个块）
  2. 物理块号=起始块号+逻辑块号
  3. 支持顺序访问和随机访问
  4. 连续分配的文件在顺序读/写时速度最快
    1. 读取某个磁盘块时需要移动磁头
    2. 磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间越长
  5. 连续分配的文件不方便进行扩展
  6. 存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片
    1. 可以用紧凑技术来处理碎片，时间开销很大

链接分配

采取离散分配的方式，为文件分配离散的磁盘块，然后指针链接。分为隐式链接和显式链接两种

Tips：题目没有说明的话，默认隐式链接

隐式链接

  1. 隐式链接的指针对用户是透明的
  2. 方便文件扩展，不会产生磁盘碎片
  3. 只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低
  4. 存储指针也要消耗存储空间

显式链接

用于链接文件各个物理块的指针显式存放在一张表中，称为文件分配表（FAT

  1. 逻辑块号转换为物理块号的过程不需要读磁盘操作
  2. 支持顺序访问和随机访问
  3. 由于块号转换不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接，访问速度快很多
  4. 不会产生外部碎片，便于文件拓展
  5. FAT需要占用一定存储空间

索引分配

允许文件离散分配在磁盘块中。系统会为每个文件建立一张索引表，表中记录文件的各个逻辑块对应的物理块
索引表存放的磁盘块称为索引块，文件数据存放的磁盘块称为数据块

  1. 可以实现随机访问
  2. 容易实现文件拓展
  3. 索引表需要占一定存储空间

索引表太大了，一个索引块装不下，怎么搞？

  1. 链接方案：多个索引块链接起来存放
    1. 必须顺序读取所有索引块，磁盘I/O次数过多，效率低
  2. 索引分配：建立多层索引，类似多级页表
  3. 混合索引
    2. 对于小文件，访问一个数据块所需的读磁盘次数更少

考点：

  1. 计算文件的最大长度——各级索引表最大长度不能超过一个块
  2. 访问某个数据块所需的读磁盘次数
    1. 注意题目是否已经把顶级索引块调入内存

4.1_5 文件存储空间管理

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    缺失模块。
    1、请确保node版本大于6.2
    2、在博客根目录（注意不是yilia根目录）执行以下命令：
    npm i hexo-generator-json-content --save

    3、在根目录_config.yml里添加配置： 

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