文件系统

• 文件定义
  文件是计算机信息存取的一种重要的组织形式
  文件由若干信息项有序构成，信息项可以是字节，也可以是结构化数据
  用户通过读写指针来存取文件的信息项
  文件具有文件名，用户通过文件名存取文件

  
  文件读写

• 文件分类
  分类标准：文件用途（系统文件，库文件，用户文件）
  操作权限（只读文件、读写文件、不保护文件）
  文件性质（普通文件、目录文件、设备文件）

• 文件的属性
  指定文件的类型、操作特性和存取保护等以组信息
  文件属性存放在文件所在目录的目录文件中
  MS-DOS系统中，文件属性占目录项的一个字节，00000001为只读，00000010为隐藏属性。

  
  Google文件属性

• 文件系统
  负责管理文件的机构称为文件系统，其功能是负责文件的创立、撤销、读写、修改、复制和存取控制等，并管理存放文件的存储设备。文件系统的目标是让用户以文件名的方式来存取文件

• 文件的结构

逻辑结构	物理结构
用户观点	系统观点
为用户提供逻辑结构清晰、方便使用的文件 强调文件信息项的构成方式和用户的存取方式	文件在存储设备上的存储结构 强调合理利用储存空间，缩短I/O存取时间

• 文件的逻辑结构

记录式文件	流式文件
信息项是记录（结构化数据）	信息项是字节，文件长度就是字节数量
如学生花名册包含若干学生记录 每条记录包含姓名、学号等 文件需要保存记录长度和数量等说明信息，记录这些额外信息浪费存储空间	文件无需额外说明信息，节省存储空间

现代操作系统中所有文件都是流式文件，由应用程序解释和处理文件

• 文件存取方法

顺序存取	随机存取
按文件信息项排列顺序依次存取	直接存取，需要指定存取位置
文件打开时，读写指针指向第一个信息项 每存取一个信息项，读写指针自动加1而指向下一个信息项	对流式文件或记录为定长的记录式文件容易缺点存取位置 对记录不定长的记录式文件比较定位较麻烦，需从第一条记录开始查询，可建立索引进行改善

• 文件的物理结构
  指文件在存储设备上的存储方式，强调合理利用储存空间，缩短I/O存取时间

类型	连续文件	索引文件	串联文件
概念	文件按逻辑块的顺序存放在硬盘的连续物理存储块中，文件目录记录文件长度（块数）和第一个存取块的块号	文件存放在不连续的存储块中，通过建立索引表记录逻辑块和物理存储块的对应关系，索引表单独放在存储块中	文件存放再不连续的存储块中，每个存储块有一个指针，指向下一个存储块
特点	文件建立时给出文件最大长度并登记文件起始位置	文件=索引区+数据区 先访问索引，再访问数据	文件目录指明文件名和第一个存储块的块号
优点	实现简单 支持顺序存取和随机存取 顺序存取速度快，所需磁盘寻道次数和寻道时间短	支持顺序存取和随机存取 支持文件动态增长、插入和删除	适用于顺序存取 提高磁盘空间利用率，不存在外部碎片 有利于文件动态扩充、插入和删除
缺点	文件不易动态增长，需要预留空间，大了浪费，少了需要重新分配和移动 不利于文件插入和删除 外部碎片问题		存取速度慢，不适合随机存取 可靠性差，若指针出错则文件访问失败 指针占用一定空间

• FAT文件系统（File Allocation Table）
  串联文件系统，FAT12，FAT16，FAT32
  FAT将指针有序集中放到FAT表中，文件访问过程：
  访问文件目录，找到第0块的块号i->访问FAT找到下一块的块号：FAT(i)-> FAT(i)=FFFF则文件结束

• FAT的缺点
  读文件时，先读FAT，影响使用效率
  FAT要占存储空间，存储容量越大，存取块越多，FAT元素越多，且元素位宽越长，占用更多额外的存储空间
  存取块为2^N块，FAT有2^N个元素，每个项至少需要N位的宽度

扇区是磁盘上最小可寻址存储单元（512字节）

簇（存取块）是设备的最小存取单元，具有固定数量的扇区
360KB的磁盘，簇=2个扇区
10MB的磁盘，簇=8个扇区
2G的硬盘，簇=64个扇区

• FAT元素数目和簇的数目一样多
  FAT元素宽度至少为N才能标识全部的簇（2^N）
  磁盘容量=FAT长度*簇容量=FAT长度*簇扇区数*512字节

• FAT16文件系统
  以簇为单位管理磁盘
  簇是扇区的倍数，是2的次幂，最大64扇区
  FAT元素宽度为2字节，16Bit，最大分区为2GB
  FAT16格式化的磁盘

启动扇区	FAT1	FAT2	根目录	其他目录和文件

• 存取空间管理是记录磁盘使用情况，管理和分配，回收存储空间
• 空闲文件，把连续空闲区看出一种特殊文件，由多个连续空闲块组成

空闲文件目录	空闲块链	位示图
索引空闲文件代表存储设备全部空闲空间 为空闲文件建立的专门目录，称为空闲文件目录 每个表项对应一个空闲文件，包含第一个空闲块号，连续空闲块个数	把所有空闲块链接在一起 当申请者需要空闲块时，链头开始搜索所需空闲块 当回收空闲块时，把释放的空闲块逐个加在链尾	从内存中划出若干个字节，每个bit标识1个存储块空闲（1）或占用（0）状态

• 文件目录
  也称文件名址录，记录文件名和存放地址的目录表
  具有将文件名转换为外存物理位置功能
  文件属性也记录在目录中

• 目录文件
  文件目录以文件形式存于外存的文件

• 目录结构
  主要包括单极目录、二级目录和多级目录（树型目录）
  不同系统的文件目录的组织不完全相同
  DOS系统（32字节）

  
  DOS系统的目录结构

Unix，文件目录项中的文件名和其他属性信息分开，后者单独组成一个定长数据结构，索引结点i_node

• 文件全名
  包含从根目录开始到文件为止的通路上所有子目录路径
  子目录之间用"/"或"\"隔开
  子目录名组成的部分又称为路径名，每个文件都有唯一的路径名
  路径名的形式包括绝对路径名（从根目录到指定文件），相对路径名（从当前目录到指定文件）

Linux的目录

• 文件的保护
  对文件的访问系统首先要检查访问权限

操作	标识	操作	标识
仅允许执行	E	仅允许读	R
仅允许写	W	仅允许在文件尾写	A
仅允许对文件进行修改	U	允许改变文件的存取权限	C
允许取消文件	U

文件操作	目录操作	相关常见API	典型文件系统
创建文件 写文件 读文件 文件定位 删除文件 截短文件 属性设置和读取	创建目录 删除目录	Create Delete Rename File_attribute Open Close Write Read DIR_read DISK_space Link Unlink File_date	FAT16 FAT32 NTFS EXT2 EXT3 EXT4