文件目录

本文内容

1 文件控制块

  计算机中目录像树状结构，一个目录下既可以有目录文件也可以有普通文件。这种目录结构使文件之间组织结构清晰，易于查找。假设磁盘D的根目录文件如下图所示

  文件目录表表示该文件下文件记录，上图中的一个表记录表示一个文件，目录文件本身也是一种有结构文件，每条记录记录了该文件在外存中地址，当我们双击打开一个目录文件时，操作系统会根据文件名查询目录表找到要查询的文件在外存中的位置，然后把该文件的目录信息读入内存，于是该文件目录中的内容就显示出来。如下图表示打开“照片”目录

  FCB的有序集合称为“文件目录”，一个FCB就是一个文件目录项。
  FCB中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件建立时间、修改时间）。
  FCB中最重要、最基本的信息还是文件名、文件存放的物理地址。
  FCB实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现“按名存取”。
  下面时一些对目录的操作

搜索：当用户要使用一个文件时，系统要根据文件名搜索目录，找到该文件对应的目录项。
创建文件：创建一个新的文件时，需要在器所属的目录中增加一个目录项。
删除文件：当删除一个文件时，需要在目录中删除相应的目录项。
显示目录：用户可以请求去显示目录中的内容，如显示该目录中所有文件及相应的属性。
修改目录：某些文件属性保存在目录中，因此这些属性变化时需要修改相应的目录项（如文件重命名）。

2 目录结构

  前面说到有序的文件控制块集合组成了目录，目录结构在发展过程中出现了一下几种目录结构：单级目录结构、两级目录结构、多级目录结构、无环图目录结构。

   2.1 单级目录结构

  早期操作系统并不支持多级目录，整个系统只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。

  单级目录实现了“按名存取”，但是不允许文件重名。
  在创建一个文件时，需要先检查目录表中有没有重名文件，确定不重名后才能允许建立文件，并将新文件对应的目录项插入目录表中。显然，单级目录结构不适用多用户操作系统。

   2.2 两级目录结构

  在早期多用户操作系统，采用两级目录结构。分为主文件目录（MFD，Master File Director）和用户文件目录（UFD，User File Directory）。

  如上图所示，主文件目录中存放的是用户名及相应用户文件目录存放的位置。用户文件目录由该用户的文件FCB组成。
  两级目录结构允许不同用户的文件名重名，也可以在目录上实现访问限制（检查此时登录的用户名是否匹配）。但是两级目录依然缺乏灵活性，用户不能像现在操作系统一样可以对自己的文件进行分类。

   2.3 多级目录结构（树状目录结构）

  由于两级目录缺乏灵活性，用户不可以对自己的文件进行分类，所以出现了多级目录结构。

  用户（用户进程）要访问某个文件时要用文件路径名标识文件，文件路径名是一个字符串。各级目录之间用"/"隔开。从根目录出发的路径程绝对路径。
  例"/照片/2015-08/自拍.jpg"就是一个绝对路径。系统根据绝对路径一层一层地找到下一级目录。刚开始从外存读入根目录的目录表；找到“照片”存放位置后，从外存读入对应的目录表；在找到“2015-08”目录的存放位置，再从外存读入对应目录表；最后才找到文件“自拍.jpg”的存放位置。整个过程需要3次磁盘I/O操作。
  很多时候，用户会连续访问用一个目录内的多个文件（如接连查看2015-08目录的多个粘片文件夹），显然每次都从根目录开始查找，是很低效的。因此可以设置一个“当前目录”。
  例如，此时打开了“照片”的目录文件，也就是说，这张目录表已调入内存，那么可以把它设置为“当前目录”。当用户想要访问某个文件时，可以使用从当前目录出发的相对路径。这样可以磁盘减少I/O次数，从而提高了访问文件效率。例如，此时打开了“照片”的目录文件，也就是说这张目录表已调入内存，那么可以把它设置为“当前目录”。当用户想要访问“自拍.jpg”时，可以使用从当前目录出发的相对路径“./2015-08/自拍.jpg”。
  优缺点：树状目录结构可以很方便地对文件进行分类，层次结构清晰，也能够更有效地进行文件的管理和保护。但是，树状结构不便于实现文件共享。为此，提出了无环图目录结构。

   2.4 无环图目录结构

  无环图目录结构是在树状目录结构基础上，增加一些指向同一节点的有向边，使整个目录形成一个有向无环图。可以更方便的实现多个用户间文件共享。
  可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录（共享同一个目录下的所有内容）。需要为每个共享节点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该节点。

  用户提出删除节点请求时，只是删除该用户的FCB、并使共享计数器减1，并不会直接删除共享节点。只有共享计数器减为0时，才删除节点。下图表示User1用户删除了共享文件

注：共享文件不同于复制文件。在共享文件中，由于用户指向同一个文件，因此只要一个用户修改了文件数据，那么所有用户都可以看到文件数据的变化。

3 索引节点（FCB的改进）

  操作在查找各级目录的过程中，只需要用到“文件名”这个信息，而文件存储权限、修改时间、文件大小等信息暂时用不到，只有在文件名匹配时才需要读出文件的其他信息。因此可以考虑让目录表进行“瘦身”来提升效率。

  使用索引节点后的目录表如下

  这样做的好处可以大大提升文件检索速度。

假设一个FCB是64B，磁盘块大小为1KB，则每个磁盘块只能存放16个FCB。若一个文件目录中共有640个目录项，则共需要占用640/16=40个磁盘块。因此按照文件名检索该目录，平均需要查询320个目录项，平均需要启动磁盘20次（每次磁盘I/O读入一块）。
若使用索引节点机制，文件名占14B，指针占2B，则每个磁盘块可以存放64个目录项，那么按文件名检索目录平均只需320/64=5个磁盘块，即平均需要5次磁盘I/O。显然，大大提升了文件检索的速度。

  当找到文件名对应的目录项时，才需要将索引节点调入内存，索引节点中记录了文件的各种信息，包括文件在外存中存放位置，根据“存放位置”即可找到文件。
  存放在外存中的索引节点称为“磁盘索引节点”，当索引节点放入内存后称为“内存索引节点”。相比之下，内存索引节点中需要增加一些信息，如文件是否被修改，此时有几个进程正在访问该文件等。

4 小结

  本文完