第八章文件系统

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1、第八章 文件系统8.1 文件系统的概念8.2 文件的逻辑结构和存取方法8.3 文件的物理结构8.4 文件存储空间的管理8.5 文件目录管理 8.6 文件系统的可靠性和安全性8.7 文件的使用8.8 文件系统的性能问题目录8.1 文件系统的概念l操作系统的软硬件管理文件系统必须完成下列工作l对磁盘等辅助存储器空间进行统一管理l为了实现按名存取，有一个用户可见的文件逻辑结构l为了便于存放和加工信息，文件在存储设备上应按一定的顺序存放文件的物理结构。l完成对存放在存储设备上的文件信息的查找。l完成文件的共享l提供保护文件与文件系统概念l文件是一段程序或数据的集合。l文件被解释为一组赋名的相关联字符流

2、的集合，或者是相关联记录(一个有意义的信息单位)的集合l无结构文件或流式文件：目前常用的操作系统，例如 UNIX，MS-DOS等l记录式文件：记录是由 N(N 1)个字节组成的具有特定意义的信息单位；记录式文件主要用于信息管理。文件系统l操作系统中与管理文件有关的软件和数据l功能：为用户建立文件，撤消、读写、修改和复制文件，负责完成对文件的按名存取和进行存取控制。l特点：友好的用户接口，用户只对文件进行操作，而不管文件结构和存放的物理位置。对文件按名存取，对用户透明。某些文件可以被多个用户或进程所共享。文件系统大都使用磁盘、磁带和光盘等大容量存储器作为存储介质，因此，可存储大量信息。l1.按文

3、件性质和用途分类l 系统文件：有关OS及有关系统所组成文件l 用户文件：l 库文件：标准子程序及常用应用程 序组成文件，允许用户使用但不能修改l2.按信息保存期限分类l临时文件；永久文件；档案文件l3.按文件的保护方式分类l只读文件；读写文件；可执行文件l4.按文件的逻辑结构分类l流式文件；记录式文件文件的分类l5.按文件的物理结构分类l 顺序（连续）文件；链接文件；索引文件l6.UNIX系统将文件分为三类l普通文件：包含的是用户的信息，一般为ASCII或二进制文件l目录文件：管理文件系统的系统文件l特殊文件：设备文件，把外部设备也看作文件l字符设备文件：和输入输出有关，用于模仿串行I/O设备

4、，例如终端，打印机，网络等l块设备文件：模仿磁盘 文件的分类文件系统模型文文 件件 系系 统统 接接 口口逻辑文件系统逻辑文件系统基本基本I/O管理程序管理程序(文件组织模块文件组织模块)基本文件系统基本文件系统I/O控制层（设备驱动程序）控制层（设备驱动程序）对对 象象 及及 其其 属属 性性 说说 明明对对象对对象操纵和操纵和管理的管理的集合集合l从用户角度看文件，研究文件的组织形式l分类：字符流式的无结构文件和记录式的有结构文件l选取文件的逻辑结构应遵循下述原则：l要求：l 提高检索效率l 便于修改l 降低文件的存储费用l便于用户进行操作8.2 文件的逻辑结构与存取方法l 构成文件的基本

5、单位是字符，文件是有逻辑意义的、无结构的一串字符的集合。l 文件：一个无结构字节序列l 好处：提供很大的灵活性流式文件（无结构文件）l文件是由若干个记录组成，每个记录有一个键，可按键进行查找。l记录式文件：一个固定长度记录的序列，每条记录有其内部结构l定长记录式文件l变长记录式文件l常用的记录式文件结构有四种记录文件（有结构文件）记录组成例 连续结构l是一种把记录按照生成的先后顺序排列的逻辑结构。l特点：l适应性强，可用于所有文件；l顺序与内容无关，利于记录的追加与变更，搜索性能差多重结构l行列式结构：把记录按键和记录名排列成行列式结构，则一个包含n个记录名，m(1 i=L+空闲块数空闲块数(

6、i为主存地址为主存地址)；从从i单元得到一空闲块号；单元得到一空闲块号；将该块分配给申请者；将该块分配给申请者；空闲块数减空闲块数减1。当空闲块数当空闲块数=1 取出取出L+1单元的内容单元的内容(一组中的第一块块号一组中的第一块块号)若其值若其值=0，无空闲块，申请者等待；，无空闲块，申请者等待；若其值若其值 0，将该块中的内容复制到专用块，将该块中的内容复制到专用块，并将该块分配给申请者；并将该块分配给申请者；把专用块内容读到主存把专用块内容读到主存L开始的区域。开始的区域。分配算法分配算法79回收一空闲块回收一空闲块 取取L单元的内容单元的内容(空闲块数空闲块数)当空闲块数当空闲块数50

7、 空闲块数加空闲块数加1；j=L+空闲块数空闲块数(j为主存地址为主存地址)；归还块号填入归还块号填入j单元。单元。当空闲块数当空闲块数=50 将主存中的信息写入归还块中；将主存中的信息写入归还块中；将归还块号填入将归还块号填入L+1单元；单元；将将L单元置单元置1。回收算法回收算法l用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况,每个每个物理块对应一位物理块对应一位,分配物理块为分配物理块为1 1，否则为，否则为0 0l申请物理块时，可以在位示图中查找为申请物理块时，可以在位示图中查找为0 0的位，返回的位，返回对应物理块号；对应物理块号；l归还时；将对应位

8、转置归还时；将对应位转置0 0l描述能力强，适合各种物理结构描述能力强，适合各种物理结构3.位示图法81块号块号=字号字号*32+位号位号字号字号=块号块号/32位号位号=块号块号%32位示图位示图(共共3200块块)第第0字字第第1字字第第2字字第第99字字第第0位位 第第1位位 第第2位位 第第30位位 第第31位位0/10/10/1 0/1 0/10/10/1 0/10/10/10/1 0/10/10/10/1 0/10/10/10/1 0/1计算公式（续）已知块号，则磁盘地址：已知块号，则磁盘地址：柱面号柱面号块号块号/（磁头数（磁头数扇区数）扇区数）磁头号磁头号（块号（块号mod（磁

9、头数（磁头数扇区数）扇区数）/扇区数扇区数 扇区号（块号扇区号（块号mod（磁头数（磁头数扇区数）扇区数）mod 扇区数扇区数已知磁盘地址：已知磁盘地址：块号柱面号块号柱面号（磁头数（磁头数扇区数）磁头号扇区数）磁头号扇区数扇区号扇区数扇区号 8.6 文件系统的可靠性与安全性l 人为因素人为因素存取控制权限存取控制权限l 系统因素系统因素系统容错技术系统容错技术l 自然因素自然因素备份技术备份技术 8.6.1文件的存取控制l文件的存取控制是和文件的共享、保护和保密文件的存取控制是和文件的共享、保护和保密三个不同而又相互联系的问题紧密相关的。三个不同而又相互联系的问题紧密相关的。l文件的共享是指

10、不同的用户共同使用一个文件。文件的共享是指不同的用户共同使用一个文件。l文件保护则指文件本身需要防止文件的拥有者本人文件保护则指文件本身需要防止文件的拥有者本人或其他用户破坏文件内容。或其他用户破坏文件内容。l文件保密指未经文件拥有者许可，任何用户不得访文件保密指未经文件拥有者许可，任何用户不得访问该文件。问该文件。l这三个问题实际上是一个用户对文件的使用权这三个问题实际上是一个用户对文件的使用权限，即读、写、执行的许可权问题。限，即读、写、执行的许可权问题。文件系统的存取控制部分应做到(1)对于拥有读、写或执行权限的用户，应让其对对于拥有读、写或执行权限的用户，应让其对文件进行相应的操作。文

11、件进行相应的操作。(2)对于没有读、写或执行权限的用户，应禁止他对于没有读、写或执行权限的用户，应禁止他们对文件进行相应的操作。们对文件进行相应的操作。(3)应防止一个用户冒充其他用户对文件进行存取。应防止一个用户冒充其他用户对文件进行存取。(4)应防止拥有存取权限的用户误用文件。应防止拥有存取权限的用户误用文件。存取控制验证模块l这些功能是由一组称为存取控制验证模块的程这些功能是由一组称为存取控制验证模块的程序提供的。序提供的。l它们分三步验证用户的存取操作。它们分三步验证用户的存取操作。(1)审定用户的存取权限。审定用户的存取权限。(2)比较用户权限的本次存取要求是否一致。比较用户权限的本

12、次存取要求是否一致。(3)将存取要求和被访问文件的保密性比较，看是将存取要求和被访问文件的保密性比较，看是否有冲突。否有冲突。个方式来验证用户的存取操作(1)存取控制矩阵存取控制矩阵;(2)存取控制表存取控制表;(3)口令口令;(4)密码。密码。l系统设计人员根据需要选择其中一种或几种并将相应系统设计人员根据需要选择其中一种或几种并将相应的数据结构置于文件说明的数据结构置于文件说明(BFD等等)中中;l在用户访问存取文件时，对用户的存取权限、存取要在用户访问存取文件时，对用户的存取权限、存取要求的一致性以及保密性等进行验证。求的一致性以及保密性等进行验证。存取控制矩阵存取控制表口令l两种口令方

13、式两种口令方式l当用户进入系统，为建立终端进程时获得系当用户进入系统，为建立终端进程时获得系统使用权的口令。统使用权的口令。l每个用户在创建文件时，为每一个创建的文每个用户在创建文件时，为每一个创建的文件设置一个口令，且将其置于文件说明中。件设置一个口令，且将其置于文件说明中。加密解密过程8.6.2 系统容错技术l可靠性：系统抵抗和预防各种物理性破坏和可靠性：系统抵抗和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力人为性破坏的能力l1.1.一级容错一级容错:l双份文件目录和文件分配表双份文件目录和文件分配表l磁盘热修复和写后读校验磁盘热修复和写后读校验2、二级容错技术l磁盘镜像磁盘镜像l磁盘双工磁盘双工

14、磁盘控制器磁盘控制器主主 机机通道通道磁盘磁盘控制器控制器 主主 机机磁盘磁盘控制器控制器 通道通道通道通道3、三级容错技术lRAIDRAID（廉价磁盘冗余阵列）（廉价磁盘冗余阵列）lRAIDRAID的优点的优点1 1、通过把多个磁盘组织在一起，作为一个逻辑卷提供磁盘、通过把多个磁盘组织在一起，作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能跨越功能2 2、通过把数据分成多个数据块，并行写入、通过把数据分成多个数据块，并行写入/读出多个磁盘，读出多个磁盘，以提高访问磁盘的速度以提高访问磁盘的速度3 3、通过镜像或校验操作，提供容错能力、通过镜像或校验操作，提供容错能力lRAID0 RAID0 数据分条技术数据分

15、条技术 整个逻辑盘的数据被分散分布在多个物理盘上，并行读写。整个逻辑盘的数据被分散分布在多个物理盘上，并行读写。（没有冗余能力）（没有冗余能力）至少两个盘至少两个盘lRAID1RAID1把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上。（两个盘上实施，数据冗把一个磁盘的数据镜像到另一个磁盘上。（两个盘上实施，数据冗余余50%50%）lRAID0+1 4RAID0+1 4个盘个盘lRAID3 3RAID3 3个盘（一个专为校验盘）个盘（一个专为校验盘）lRAID5 RAID5 无专门校验盘，校验数据分布在多个盘上无专门校验盘，校验数据分布在多个盘上 至少至少3 3个盘，（个盘，（N-1N-1）/N/N 一个磁

16、盘故障时，控制器可从其他尚存的磁盘上重新恢复一个磁盘故障时，控制器可从其他尚存的磁盘上重新恢复/生成生成丢失的数据而不影响数据的可用性丢失的数据而不影响数据的可用性 廉价磁盘冗余阵列l通过转储操作，形成文件或文件系统的多个副通过转储操作，形成文件或文件系统的多个副本本 软盘，磁带（软盘，磁带（150M,8G Exabyte,DAT150M,8G Exabyte,DAT）l恢复恢复8.6.3 备份数据数据0数据数据1 1的备份的备份CPU磁盘磁盘0数据数据1数据数据0 0的备份的备份磁盘磁盘1l海量转储：定期将所有文件拷贝到后援存储器海量转储：定期将所有文件拷贝到后援存储器l增量转储：只转储修改

17、过的文件，即两次备份增量转储：只转储修改过的文件，即两次备份之间的修改，减少系统开销之间的修改，减少系统开销类型8.7 文件的使用l讨论文件系统对用户的接口。讨论文件系统对用户的接口。l文件系统以系统调用方式或命令方式为用户提供下列几文件系统以系统调用方式或命令方式为用户提供下列几类服务：类服务：(1)关于设置和修改用户对文件的存取权限的服务关于设置和修改用户对文件的存取权限的服务;(2)关于建立、改变和删除目录的服务关于建立、改变和删除目录的服务;(3)关于文件共享、设置访问路径的服务关于文件共享、设置访问路径的服务;(4)创建、打开、读写、关闭，及撤消文件的服务。创建、打开、读写、关闭，及

18、撤消文件的服务。l这些服务的调用名和参数都因系统不同而异。这些服务的调用名和参数都因系统不同而异。l有关对文件操作的命令都基于操作系统提供的系统调用。有关对文件操作的命令都基于操作系统提供的系统调用。这些系统调用包括建立文件用的这些系统调用包括建立文件用的 creat，读文件用的，读文件用的 read，关闭文件用的，关闭文件用的close以及撤消文件用的以及撤消文件用的 delete 等。等。7.8 文件系统的层次模型练习l6.文件系统的层次模型如下图所示。文件的目录采用基文件系统的层次模型如下图所示。文件的目录采用基本文件目录表本文件目录表BFD的方法组织，其中含有文件的方法组织，其中含有文

19、件Wang/b.c的文件说明信息，的文件说明信息，Wang为文件主的用户名。为文件主的用户名。文件的物理结构为文件的物理结构为连续文件结构连续文件结构，并采用，并采用直接存取直接存取方式，方式，每个文件的每个文件的记录长度为记录长度为500字节字节，每个，每个物理块长为物理块长为2000字节字节，即一个物理块可以存放，即一个物理块可以存放4个记录。结合执行系统个记录。结合执行系统调用命令调用命令read(Wangb.c，7，20000)（其中（其中7为逻辑记为逻辑记录号，录号，20000为内存地址），回答下列问题：为内存地址），回答下列问题：(1)第二层符号文件系统第二层符号文件系统SFS的主

20、要工作及其结果；的主要工作及其结果；(2)第三层基本文件系统的主要工作；第三层基本文件系统的主要工作；(3)第五层逻辑文件系统得到的主要结果；第五层逻辑文件系统得到的主要结果；(4)第六层物理文件系统得到的主要结果。第六层物理文件系统得到的主要结果。如下图1 用户接口2 符号文件系统SFS3 基本文件系统BFS4 存取控制验证5 逻辑文件系统6 物理文件系统7 存取设备分配7 设备策略模块8 启动I/O回答用户存取要求标识符0123456789物理块号WangZhang34SQRTb.c56121011 0 1 2 物理块号逻辑块号解答：(1)主要功能：把用户提供的文件符号名主要功能：把用户提

21、供的文件符号名Wang/b.c转换为系转换为系统内部的唯一标识符统内部的唯一标识符6。CALL BFS（READ,6,7,20000）。）。(2)从从BFD中找文件标识符中找文件标识符6文件说明信息。文件说明信息。(3)把逻辑块号转换为相对块号和块内相对地址。把逻辑块号转换为相对块号和块内相对地址。逻辑字节串首址（逻辑字节串首址（LBA）=记录号记录号*记录长度记录长度=7*500=3500；相对块号相对块号RBN=（LBA/物理块长物理块长PBL）的整数部分）的整数部分=（3500/2000）的整数）的整数=1；块内相对地址块内相对地址PBO=LBA mod PBL=3500 mod 200

22、0=1500。(4)把相对块号和块内相对地址，根据文件的物理结构转换把相对块号和块内相对地址，根据文件的物理结构转换成物理地址。成物理地址。如相对块号如相对块号1的物理块号为的物理块号为11，块内相对地址为，块内相对地址为1500。(1)(1)先来先服务：按访问请求到达的先后次序服务先来先服务：按访问请求到达的先后次序服务优点：简单，公平；优点：简单，公平；缺点：效率不高，相临两次请求可能会造成最内到缺点：效率不高，相临两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务最外的柱面寻道，使磁头反复移动，增加了服务时间，对机械也不利时间，对机械也不利补充：磁盘调度算法假设磁盘访问序

23、列：假设磁盘访问序列：9898，183183，3737，122122，1414，124124，6565，6767读写头起始位置：读写头起始位置：5353安排磁头服务序列安排磁头服务序列计算磁头移动总距离（道数）计算磁头移动总距离（道数）举例FCFS举例(2)(2)最短寻道时间优先：优先选择距当前磁头最最短寻道时间优先：优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先近的访问请求进行服务，主要考虑寻道优先 优点：改善了磁盘平均服务时间；优点：改善了磁盘平均服务时间；缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务缺点：造成某些访问请求长期等待得不到服务2.最短寻道时间优先举例(3)(3)扫描算

24、法（电梯算法）扫描算法（电梯算法）克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，克服了最短寻道优先的缺点，既考虑了距离，同时又考虑了方向同时又考虑了方向 具体做法：当设备无访问请求时，磁头不动；具体做法：当设备无访问请求时，磁头不动；当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然后判断该方向上是否还有访问请求，如果有后判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过的访问请求服务，如此反复的访问请求服务，如此反复3 扫描算法举例举例

25、(4)(4)单向扫描调度算法单向扫描调度算法 总是从总是从0 0号柱面开始向里扫描号柱面开始向里扫描 按照各自所要访问的柱面位置的次序去选择按照各自所要访问的柱面位置的次序去选择访问者访问者 移动臂到达最后个一个柱面后，立即带动读移动臂到达最后个一个柱面后，立即带动读写磁头快速返回到写磁头快速返回到0 0号柱面，号柱面，返回时不为任何的等待访问者服务，返回时不为任何的等待访问者服务，返回后可再次进行扫描返回后可再次进行扫描 4 单向扫描调度算法练习l4.某移动臂磁盘的柱面由外向里从某移动臂磁盘的柱面由外向里从0开始顺序编号，假开始顺序编号，假定当前磁头停在定当前磁头停在100号柱面而且移动方向

26、是向外的，现号柱面而且移动方向是向外的，现有一个请求队列在等待访问磁盘，访问的柱面号分别为有一个请求队列在等待访问磁盘，访问的柱面号分别为190、10、160、80、90、125、30、20、140和和25。请写出分别采用最短寻找时间优先和电梯调度算法处理请写出分别采用最短寻找时间优先和电梯调度算法处理上述请求的次序。上述请求的次序。l(1)最短寻找时间优先：最短寻找时间优先：90、80、125、140、160、190、30、25、20、10l(2)电梯调度：电梯调度：90、80、30、25、10、125、140、160、190作业l若干个等待访问磁盘者依次要访问的柱面为若干个等待访问磁盘者依

27、次要访问的柱面为20，44，40，4，80，12，76，假设每移动一个柱面需要，假设每移动一个柱面需要3毫秒时间，移毫秒时间，移动臂当前位于动臂当前位于40号柱面，请按下列算法分别计算为完成上号柱面，请按下列算法分别计算为完成上述各次访问总共花费的寻找时间。述各次访问总共花费的寻找时间。(1)先来先服务算法；先来先服务算法；(2)最短寻找时间优先算法；最短寻找时间优先算法；(3)电梯调度算法（移动方向：柱面号减小的方向）电梯调度算法（移动方向：柱面号减小的方向）l8.1，8.9，8.14旋转调度算法 旋转调度：根据延迟时间来决定执行次序的调度 分析：若干等待访问者请求访问同一磁道上的不同扇区 若干等待访问者请求访问不同磁道上的不同编号的扇区 若干等待访问者请求访问不同磁道上具有相同的扇区 旋转调度算法解决方案：解决方案：对于前两种情况：总是让首先到达读写磁头位置下的扇区先进行传送操作 对于第三种情况：这些扇区同时到达读写磁头位置下，可任意选择一个读写磁头进行传送操作 练习：假设磁头在8柱面，求最省时间的响应次序请求顺序 柱面号 磁头号 扇区号 9 6 3 7 5 6 15 20 6 9 4 4 20 9 5 7 15 2