第 七 、八 章 文件與磁盤空間管理
7.1 文件、文件系統
文件管理：把所管理的程序和數據組織成一系列的文件，並能進行合理的存儲、使用等操作。
1 ）基本概念
數據項：描述對象某種屬性的字符集；是數據組織中可以命名的最小邏輯數據單位。
記錄：一組相關數據項集合，描述對象某方面的屬性；
關鍵字：一個記錄中的一個或幾個數據項的集合，用於唯一的標識一個記錄。
文件：由創建者定義的、具有文件名的一組相關元素的集合。
有結構：由相關記錄組成
無結構：字符流的形式
屬性：類型、長度、物理位置、創建時間
2 ）文件類型
不同的系統對文件的管理方式不同
大多用擴展名標誌文件類型，按如下幾種方式分類文件
按用途：系統、用戶、庫文件
按數據形式：源文件、目標文件、可執行文件
按存取控制屬性：只執行、只讀、讀寫
按組織和處理方式：普通文件、目錄文件、特殊（設備）文件
3）文件系統模型
系統管理文件模型
4）文件操作
最基本的操作
創建/刪除文件：分空間，形成FCB及目錄（名，地址）
讀、寫：按名檢索目錄，找到文件地址，開始讀、寫
設置文件讀寫位置，實現隨機存取（尤其適用於記錄文件）
還需要：“打開”與“關閉”：
文件讀/寫操作 = 檢索 + 讀/寫。
每次讀寫前都要重複檢索增大開銷。所以爲了方便對同一文件的多次讀寫，一次檢索到文件後就在內存中記錄其位置，避免重複檢索。被記錄下位置的文件就是“打開”文件；
不需要再操作文件時，通過“關閉”這個系統調用關閉文件——即從打開文件表上刪除其路徑信息即可。
其他操作：改名、改所屬用戶、改訪問權限等屬性的操作。
7.2 文件結構、外存分配
文件系統設計的關鍵要素：
如何構成一個文件，以及如何存儲在外存。
文件結構：
文件的邏輯結構file logical structure：按用戶觀點如何組織數據；又稱文件組織file organization
基本要求：檢索速度高、方便修改、降低存儲空間費用（不連續）
文件的物理結構：根據外存上的物理塊的分配機制，記錄文件外存的存儲結構。用戶感知不到的。
1）文件邏輯結構的類型
有結構文件（記錄式）
①定長記錄
②變長記錄
如何組織記錄：
- 順序文件。系統需按該類型記錄“長度”，通常定長。
- 索引文件。系統需爲文件建立索引表。
- 索引順序文件。建索引表，記錄每組記錄的第一個記錄位置。
無結構文件（字符流式）
- 字節爲單位，利用讀寫指針依次訪問。
- 系統對該類文件不需格式處理。
目標：有效利用外存空間，提高文件訪問速度
常用三種方式：
- 連續分配
- 鏈接分配（不連續）
- 索引分配
通常一個系統中僅採用一種方式
採用的磁盤分配方式決定了文件的“物理結構”
- 順序結構；
- 鏈接式結構；
- 索引式結構。
*** FAT表的相關計算
MS-DOS文件分配結構爲例：
一個1.2M的磁盤，盤塊512B大小；若文件系統採用FAT格式，則FAT表大小如何？
表項個數 = 盤塊個數
= 容量 / 盤塊大小 = 1.2 *220 / 29 = 1.2 *211 個
表項大小，決定於盤塊數量編號需要的位數=12 位；
FAT表大小 = 表項個數 * 表項大小
= 1.2 *211 * 12 bit
= 1.2 *211 * 1.5B = 3.6KB
以半字節（0.5B=4b）爲基本單位,表項需12位（1.5B）
由上述公式，若容量爲200M的磁盤，盤塊仍爲512B，FAT表大小如何？
FAT表表項有200K≈218 （個）
表項需20位，即2*8+4，2.5字節
FAT表需內存大小爲200*2.5=500KB
***多級索引下的文件大小
若兩級索引，盤塊1KB，盤塊號佔4字節
一個盤塊可存放的盤塊號數有多少個
1KB/4B = 210/4 = 28 = 256（個）
二級索引下的文件可分配的最大盤塊數
256 * 256 =26×210=64 K（個）
文件最大長度爲
64K（個）*1KB=64MB
若盤塊大小爲4KB，單級索引允許文件最大長度爲4MB（4K/4*4KB），二級索引則文件最大可達4GB（1K*1K*4KB）。
7.3 目錄、存儲空間管理
爲實現存儲空間分配，系統需要：
記住空閒存儲空間使用情況；爲空間設置相應的數據結構；
提供對存儲空間分配、回收的操作手段。
典型的管理方法：
1）空閒表和空閒鏈表法
2）位示圖法
3）成組鏈接法
1）空閒表法和空閒鏈表法
空閒表法
常用於連續分配管理方式
1.數據結構
系統爲外存上的所有空閒區建立一張空閒表
每個空閒區對應一個空閒表項
（表項包括序號、空閒區的第一個盤塊號、空閒盤塊數等。）
將所有空閒區按其起始盤塊號遞增的次序排列，如右圖。
2.存儲空間的分配與回收操作
與內存的動態分配類似，同樣可採用首次適應算法、循環首次適應算法等。
回收主要解決對數據結構的數據修改。
應該說明，雖然很少採用連續分配方式，然而在外存的管理中，由於它具有較高的分配速度，可減少訪問磁盤的I/O頻率，故它在諸多分配方式中仍佔有一席之地。（如實現虛擬用的部分外存就是連續分配方式）
空閒鏈表法
將所有空閒盤區拉成一條空閒鏈。
1.數據結構：鏈
根據構成鏈所用基本元素的不同，可把鏈表分成兩種形式：
- 空閒盤塊鏈
- 空閒盤區鏈
2）位示圖法——位示圖
利用二進制的一位來表示一個盤塊的使用情況。
值爲0表示對應的盤塊空閒，爲1表示已分配。有的系統則相反。
磁盤上的所有盤塊都有一個二進制位與之對應，這樣由所有盤塊所對應的位構成一個集合，稱爲位示圖。
總塊數=m*n。可用m*n個位數來構成位示圖，可看成是二維數組（數據結構）。
根據位示圖進行盤塊分配：
順序掃描位示圖。找到爲0的二進制位。
將所找到的一個或一組二進制位，轉換成與之對應的盤塊號。進行分配操作。
盤塊號計算公式爲：盤塊號 = 列總數*（i-1）+ j;
（注意下標i，j從1開始）
修改位示圖。
根據位示圖進行盤塊回收：
將回收盤塊的盤塊號轉換成位示圖中的行號和列號。轉換公式爲：i=(盤塊號-1)div列數+1；j=(盤塊號-1)mod列數+1
Div 求商，mod 取餘，公式中的i、j都是從1開始的
（如12號盤塊轉換後爲1，12）
修改位示圖。
3）成組鏈接法
大型文件系統，空閒表或空閒鏈表太長不方便管理操作。
UNIX系統中採用成組鏈接法，這是將兩種方法結合而形成的一種空閒盤塊管理方法。
中心思想：
- 所有盤塊按規定大小劃分爲組；
- 組間建立鏈接；
- 組內的盤塊藉助一個系統棧可快速處理，且支持離散分配回收。
文件控制塊—FCB
在文件控制塊中，通常含有以下三類信息。
基本信息類
包括：
文件名
- 文件物理位置
- 文件邏輯結構
- 文件的物理結構
存取控制信息類
包括文件主的存取權限，覈准用戶的存取權限和一般用戶的存取權限。
使用信息類
- 建立日期和時間、文件上次修改的日期和時間
- 當前使用信息：打開該文件的進程數、是否被進程鎖住、是否已修改等。
目錄管理
對文件實施有效的管理，必須對它們加以妥善組織，主要是兩大操作：
- 基本信息記錄(FCB,目錄項)
- 方便檢索、管理（目錄操作）
目錄管理的要求如下：
- 實現“按名存取”；（最基本功能）
- 提高對目錄的檢索速度；
- 文件共享；
- 允許文件重名。
7.4 共享、保護、一致性
1）文件共享
多個用戶共享一份文件，只保留文件的一份副本，節約存儲空間
共享範圍：單機系統/多主機系統/網絡範圍
20世紀六七十年代，出現了若干文件早期共享方法，繞彎路法、連訪法等，逐漸發展爲現代一些共享方式
- 索引結點
- 符號鏈
2）磁盤容錯
SFT，system fault tolerance
防止磁盤故障造成的文件不安全
SFT I:磁盤表面故障
雙目錄、雙文件分配表（空間冗餘）
寫後讀校驗、熱修復重定向（時間操作冗餘）
寫入磁盤後再讀回內存做一致性校驗
熱修復寫過程：從壞道重定向到專區並記錄
SFT II：磁盤驅動器、控制器故障
驅動器故障：磁盤鏡像
控制器故障：磁盤雙工——並行控制器，分離搜索加快讀取