第五章 文件系统
文件
文件系统的用户接口包括文件的 命名、类型、属性 和 对文件的操作。
文件命名
所有操作系统都允许使用 1-8个字母组成的字符串。
多数操作系统都支持文件名用 圆点 隔开分为两部分，圆点后面的部分称为 文件扩展名。
文件结构
- 无结构字节序列（流式文件）：
- 代表：Windows、Unix；
- 优点：提供灵活性；
- 固定长度记录序列：
- 中心思想：读操作返回一个记录，写操作重写或追加一个记录；
- 树形结构：
- 记录长度不定；
- 在记录的固定位置包含一个 关键字域；
- 记录树 按关键字域排序；
文件类型
- 正规文件，分类：
- ASCII文件：可显示和打印，通常的文件编辑器可边际；
- 二进制文件，不能直接显示和打印，需要专门编辑器；
- 目录 文件：管理文件系统的 系统文件；
- 字符设备 文件：和 输入输出 有关；
- 块设备 文件：用于 磁盘类 设备；
文件存取
- 顺序存取：早期，从文件开始处读取信息，不能跳过；
- 随机存取：又称直接存取，可以以任意顺序读取文件信息；
文件属性
除了文件名和文件数据外，其他与文件相关的信息，如创建日期、文件大小、修改时间等。
文件操作
| 命令 | 功能 |
|---|---|
| CREATE | 创建 |
| DELETE | 删除（释放磁盘空间） |
| OPEN | 打开 |
| CLOSE | 关闭 |
| READ | 读 |
| WRITE | 写 |
| APPEND | 在末尾写 |
| SEEK | 找到读取位置 |
| GETATTRIBUTES | 获取文件属性 |
| SETATTRIBUTES | 设置文件属性 |
| RENAME | 重命名 |
目录
目录是文件系统中实现 按名访问 的重要数据结构。
目录文件的结构
目录文件有两种常见的结构：属性放在 目录项 中和放在 i结点 中。
i结点：包含 文件属性 和 文件块的磁盘地址 的数据结构。
目录结构
单层目录（根目录）
问题：文件命名、搜索效率低
两级目录
优点：解决重名问题，查找快
问题：增加系统开销
树形目录
优点：
- 便于文件分类
- 层级结构清晰
- 便于管理和保护
- 解决重名问题
- 查找速度快
问题：结构相对复杂
路径名
采用 树形目录 时，需要有某种方法指明文件。
绝对路径名：从根目录到文件
相对路径名：从当前工作目录到文件
目录操作
| 命令 | 功能 |
|---|---|
| CREATE | 创建 |
| DELETE | 删除 |
| OPENDIR | 打开，列出目录中的文件和子目录的前提 |
| CLOSEDIR | 关闭 |
| READDIR | 以标准格式返回打开目录的下一级目录项 |
| RENAME | 重命名 |
文件系统的实现
实现文件
文件系统通常是以 2的n次方个连续的扇区 为单位对文件进行磁盘空间的分配，把 分配给文件的连续扇区 构成的 磁盘块 称为 簇
文件存储的常用方式：
- 连续分配；
- 磁盘链接表；
- 内存的链接分配表；
- i-结点；
连续分配
把每个文件作为一连串的数据块放在磁盘上。
优点：
- 实现简单，记录每个文件用到的簇仅需存储两个数字即可：第一块的磁盘地址 和 文件的块数；
- 读操作性能好，在单个操作中就能从磁盘上读取整个文件；
缺点：磁盘变得零碎，空闲的连续簇形成 空洞。
磁盘链接表
为每个文件构造簇的 链接表，每个簇开始的几个字节用于存放下一个簇的簇号，簇的其他部分存放数据，每个文件可以存放在不连续的簇中。
缺点：随机存取相当缓慢，要获得文件的第n块，每一次都要从头开始读取前面的n-1块。
内存的链接分配表
将文件所在的磁盘的簇号放在内存的表（文件分配表）中。
典型：MS-DOS
缺点：必须把 整个表都存放在内存 中，磁盘容量大时，表占的内存比较大。
i-结点
为每个文件赋予一个被称为 i结点 的数据结构，其中列出了 文件属性 和 文件块的磁盘地址。
实现目录
- CP/M 中的目录：以 簇 为单位来记录文件长度；
- MS-DOS 中的目录：使用 文件分配表FAT 作为索引表来存放文件数据所在簇的簇号；
- UNIX 中的目录；
磁盘空间管理
磁盘空间管理是文件系统的重要功能，包括记录空闲磁盘信息、设计文件的存放方式，以及规定文件系统的 簇大小 等内容。
簇大小：文件系统为文件分配磁盘空间以 簇 为单位。
簇大小过大：容易造成空间浪费。
簇大小过小：文件跨越簇，访问文件时间延长。
一般簇大小是 2的整数次幂 个 连续的扇区。
记录空闲块，跟踪记录空闲块的两种常用方法：
- 空闲簇链接表：用一些空闲簇存放空闲簇的簇号；
- 位图：用 n位 位图对应磁盘的 n个簇；
- 1：表示空闲簇；
- 0：表示已分配簇；
