操作系统--文件和文件系统

上节先容了磁盘存储器的治理

这节先容文件和文件系统

在现代 OS 中，几近毫无破例地是经过文件系统来构造和治理在计较机中所存储的大量法式和数据的；大概说，文件系统的治理功用，是经过把它所治理的法式和数据构造成一系列文件的方式来实现的。而文件则是指具有文件名的多少相关元素的调集。元素凡是是记录，而记录又是一组成心义的数据项的调集。可见，基于文件系统的概念，可以把数据组成份为数据项、记录和文件三级。

一、文件、记录和数据项

1.1 数据项

在文件系统中，数据项是最低级的数据构造形式，可把它分红以下两品种型:

• 根基数据项。这是用于描写一个工具的某种属性的字符集，是数据构造中可以命名的最小逻辑数据单元，即原子数据，又称为数据元素或字段。它的命名常常与其属性分歧。例如，用于描写一个门生的根基数据项有学号、姓名、年龄、地点班级等。
• 组合数据项。它是由多少个根基数据项组成的，简称组项。例如，司理即是个组项，它由正司理和副司理两个根基项组成。又如，人为也是个组项，它可由根基人为、工龄人为和嘉奖人为等根基项所组成。

根基数据项除了数据名外，还应稀有据范例。由于根基项仅是描写某个工具的属性，按照属性的分歧，需要用分歧的数据范例来描写。例如，在描写门生的学号时，应利用整数；描写门生的姓名则应利用字符串(含汉字)；描写性别时，可用逻辑变量或汉字。可见，由数据项的名字和范例两者配合界说了一个数据项的“型”。而表征一个实体在数据项上的数据则称为“值”。例如，学号/30211、姓名/王丰年、性别/男等。

1.2 记录

记录是一组相关数据项的调集，用于描写一个工具在某方面的属性。一个记录应包括哪些数据项，取决于需要描写工具的哪个方面。而一个工具，由于他所处的情况分歧可把他作为分歧的工具。例如，一个门生，当把他作为班上的一位门生时，对他的描写应利用学号、姓名、年龄及地点系班，也能够还包括他所学过的课程的称号、成就等数据项。但若把门生作为一个医疗工具时，对他描写的数据项则应利用诸如病历号、姓名、性别、诞生年月、身高、体重、血压及病史等项

在诸多记录中，为了能唯一地标识一个记录，必须在一个记录的各个数据项中，肯定出一个或几个数据项，把它们的调集称为关键字(key)。大概说，关键字是唯一能标识一个记录的数据项。凡是，只需用一个数据项作为关键字。例如，前面的病历号或学号即可用来从诸多记录中标识出唯一的一个记录。但是偶然找不到这样的数据项，只好把几个数据项定为能在诸多记录中唯一地标识出某个记录的关键字。

1.3 文件

文件是指由建立者所界说的、具有文件名的一组相关元素的调集，可分为有结构文件和无结构文件两种。在有结构的文件中，文件由多少个相关记录组成；而无结构文件则被看成是一个字符流。文件在文件系统中是一个最大的数据单元，它描写了一个工具集。例如，可以将一个班的门生记录作为一个文件。一个文件必必要有一个文件名，它凡是是由一串 ASCII 码或(和)汉字组成的，名字的长度因系统分歧而异。如在有的系统中把名字规定为 8 个字符，而在有的系统中又规定可用 14 个字符。用户操纵文件名来拜候文件。

此外，文件应具有自己的属性，属性可以包括：

• 文件范例。可以从分歧的角度来规定文件的范例，如源文件、方针文件及可履行文件等。
• 文件长度。文件长度指文件确当前长度，长度的单元可所以字节、字或块，也能够是最大答应的长度。
• 文件的物理位置。该项属性凡是是用于指示文件在哪一个装备上及在该装备的哪个位置的指针。
• 文件的建立时候。这是指文件最初一次的点窜时候等。

下图为文件、记录和数据项之间的条理关系。

二、文件范例和文件系统模子

2.1 文件范例

为了便于治理和控制文件而将文件分红多少品种型。由于分歧系统对文件的治理方式分歧，因此它们对文件的分类方式也有很大差别。为了方便系统和用户领会文件的范例，在很多 OS 中都把文件范例作为扩大名而缀在文件名的前面，在文件名和扩大名之间用“.”号离隔。下面是常用的几种文件分类方式。

（1）按用处分类

按照文件的性质和用处的分歧，可将文件分为三类:

• 系统文件。这是指由系统软件组成的文件。大大都的系统文件只答利用户挪用，但不答利用户去读，更不答应点窜；有的系统文件不间接对用户开放。
• 用户文件。指由用户的源代码、方针文件、可履行文件或数据等所组成的文件。用户将这些文件拜托给系统保管。
• 库文件。这是由标准子例程及常用的例程等所组成的文件。这类文件答利用户挪用，但不答应点窜。

（2）按文件中数据的形式分类

按这类方式分类，也可把文件分为三类：

• 源文件。这是指由源法式和数据组成的文件。凡是由终端或输入装备输入的源法式和数据所构成的文件都属于源文件。它凡是是由 ASCII 码或汉字所组成的。
• 方针文件。这是指把源法式经过响应说话的编译法式编译过，但尚未经过链接法式链接的方针代码所组成的文件。它属于二进制文件。凡是，方针文件所利用的后缀名是“.obj”。
• 可履行文件。这是指把编译后所发生的方针代码再经过链接法式链接后所构成的文件。

（3）按存取控制属性分类

按照系统治理员或用户所规定的存取控制属性，可将文件分为三类：

• 只履行文件。该类文件只答应被核准的用户挪用履行，既不答应读，更不答应写。
• 只读文件。该类文件只答应文件主及被核准的用户去读，但不答应写。
• 读写文件。这是指答应文件主和被核准的用户去读或写的文件。

（4）按构造形式和处置方式分类

按照文件的构造形式和系统对其的处置方式，可将文件分为三类：

• 普通文件：由 ASCII 码或二进制码组成的字符文件。一般用户建立的源法式文件、数据文件、方针代码文件及操纵系统本身代码文件、库文件、适用法式文件等都是普通文件，它们凡是存储在外存储装备上。
• 目录文件：由文件目录组成的，用来治理和实现文件系统功用的系统文件，经过目录文件可以对别的文件的信息停止检索。由于目录文件也是由字符序列组成，是以对其可停止与普通文件一样的各种文件操纵。
• 特别文件：特指系统中的各类 I/O 装备。为了便于同一治理，系统将一切的输入/输出装备都视为文件，按文件方式供给给用户利用，如目录的检索、权限的考证等都与普通文件类似，只是对这些文件的操纵是和装备驱动法式慎密相连的，系统将这些操纵转为对具体装备的操纵。按照装备数据交换单元的分歧，又可将特别文件分为块装备文件和字符装备文件。前者用于磁盘、光盘或磁带等块装备的 I/O 操纵，尔后者用于终端、打印机等字符装备的 I/O 操纵。

2.2 文件系统模子

下图为文件系统的模子。可将该模子分为三个条理，其最底层是工具及其属性；中心层是对工具停止操纵和治理的软件调集；最高层是文件系统供给给用户的接口。

（1）工具及其属性

文件治理系统治理的工具有：① 文件。它作为文件治理的间接工具。② 目录。为了方便用户对文件的存取和检索，在文件系统中必须设置目录，每个目录项中，必须含有文件名及该文件地点的物理地址(或指针)。对目录的构造和治理是方便用户和进步对文件存取速度的关键。③ 磁盘(磁带)存储空间。文件和目录一定占用存储空间，对这部分空间的有用治理，不但能进步外存的操纵率，而且能进步对文件的存取速度。

（2）对工具操纵和治理的软件调集

这是文件治理系统的焦点部分。文件系统的功用大多是在这一层实现的，其中包括: 对文件存储空间的治理、对文件目录的治理、用于将文件的逻辑地址转换为物理地址的机制、对文件读和写的治理，以及对文件的同享与庇护等功用。

（3）文件系统的接口

为方便用户利用文件系统，文件系统凡是向用户供给两品种型的接口:

• 号令接口。 这是指作为用户与文件系统交互的接口。 用户可经过键盘终端键入号令，获得文件系统的办事。
• 法式接口。这是指作为用户法式与文件系统的接口。用户法式可经过系统挪用来获得文件系统的办事。

三、文件操纵

用户经过文件系统所供给的系统挪用实施对文件的操纵。最根基的文件操纵有: 建立文件、删除文件、读文件、写文件、截断文件和设备文件的读/写位置。但对于一个现实的 OS，为了方便用户利用文件而供给了更多的对文件的操纵，如翻开和封闭一个文件及改变文件名等操纵。

3.1 最根基的文件操纵

• 建立文件。在建立一个新文件时，系统首先要为新文件分派需要的外存空间，并在文件系统的目录中，为之建立一个目录项。目录项中应记录新文件的文件名及其在外存的地址等属性。
• 删除文件。当已不再需要某文件时，可将它从文件系统中删除。在删除时，系统应先从目录中找到要删除文件的目录项，使之成为空项，然后接管该文件所占用的存储空间。
• 读文件。在读一个文件时，须在响应系统挪用中给出文件名和应读入的内存方针地址。此时，系统一样要查找目录，找到指定的目录项，从中获得被读文件在外存中的位置。在目录项中，还有一个指针用于对文件的读/写。
• 写文件。在写一个文件时，须在响应系统挪用中给出该文件名及该文件在内存中的(源)地址。为此，也一样须先查找目录，找到指定文件的目录项，再操纵目录中的写指针停止写操纵。
• 截断文件。假如一个文件的内容已经陈旧而需要全数更新时，一种方式是将此文件删除，再重新建立一个新文件。但假如文件名及其属性均无改变时，则可采纳另一种所谓的截断文件的方式，此行将原有文件的长度设备为 0，大概说是放弃原本的文件内容。
• 设备文件的读/写位置。前述的文件读/写操纵都只供给了对文件顺序存取的手段，即每次都是从文件的始端读或写。设备文件读/写位置的操纵，用于设备文件读/写指针的位置，以便每次读/写文件时，不是从其始端而是从所设备的位置起头操纵。也正因如此，才能改顺序存取为随机存取。

3.2 文件的“翻开”和“封闭”操纵

当前 OS 所供给的大大都对文件的操纵，其进程大致都是这样两步: 第一步是经过检索文件目录来找到指定文件的属性及其在外存上的位置；第二步是对文件实施响应的操纵，如读文件或写文件等。当用户要求对一个文件实施屡次读/写或别的操纵时，每次都要从检索目录起头。为了避免屡次反复地检索目录，在大大都 OS 中都引入了“翻开”(open)这一文件系统挪用，当用户第一次请求对某文件停止操纵时，先操纵 open 系统挪用将该文件翻开。

所谓“翻开”，是指系统将指名文件的属性(包括该文件在外存上的物理位置)从外存拷贝到内存翻开文件表的一个表目中，并将该表目标编号(或称为索引)返回给用户。今后，当用户再要求对该文件停止响应的操纵时，即可操纵系统所返回的索引号向系统提出操纵请求。系统这时即可间接操纵该索引号到翻开文件表中去查找，从而避免了对该文件的再次检索。这样不但节省了大量的检索开销，也明显地进步了对文件的操纵速度。假如用户已不再需要对该文件实施响应的操纵时，可操纵“封闭”(close)系统挪用来封闭此文件，OS将会把该文件从翻开文件表中的表目上删撤除。

3.3 别的文件操纵

为了方便用户利用文件，凡是，OS 都供给了数条有关文件操纵的系统挪用，可将这些挪用分红多少类: 最常用的一类是有关对文件属性停止操纵的，即答利用户间接设备和获得文件的属性，如改变已存文件的文件名、改变文件的具有者(文件主)、改变对文件的拜候权，以及查询文件的状态(包括文件范例、巨细和具有者以及对文件的拜候权等)；另一类是有关目录的，如建立一个目录，删除一个目录，改变当前目录和工作目录等；此外，还有用于实现文件同享的系统挪用和用于对文件系统停止操纵的系统挪用等。

值得说明的是，有很多文件操纵都可以操纵上述根基操纵加以组合来实现。例如，建立一个文件拷贝的操纵，可操纵两条根基操纵来实现。其第一步是操纵建立文件的系统挪用来建立一个新文件；第二步是将原有文件中的内容写入新文件中。

来自：《计较机操纵系统：汤小丹等》