导图社区 文件管理
这是一个文件管理知识点的思维导图，包括初始文件管理、有结构文件、文件目录、文件的物理结构、文件存储空间管理、文件的基本操作、文件共享、文件保护、文件系统的层次结构、磁盘的结构、磁盘调度算法这几个方面的知识点，并对其作了详细的介绍。
数据结构与算法 数据结构是计算机中存储、组织数据的方式。 数据结构是一种具有一定逻辑关系,在计算机中应用某种存储结构,并且封装了相应操作的数据元素集合。
操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统需要处理如管理与配置内存、决定系统资源供需的优先次序、控制输入设备与输出设备、操作网络与管理文件系统等基本事务。
计算机网络是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。
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数据结构
文件管理
1. 初始文件管理
文件的定义：一组有意义的信息的集合
文件的属性
文件名、标识符、类型、位置、大小、保护信息
文件内部应该如何被组织起来（文件的逻辑结构）
文件之间应该如何被组织起来（目录结构）
操作系统应该向上提供哪些功能（create、delete、open、close、read、write系统调用
文件应如何存放在外存中（文件的物理结构）
操作系统如何管理外存中的空闲块（存储空间的管理）
操作系统需要提供的其他文件管理功能
文件共享
文件保护
2. 有结构文件
顺序文件
串结构
记录顺序与关键字无关
顺序结构
记录按关键字顺序排列
可变长记录的顺序文件无法实现随机存取，定长记录可以
定长记录、顺序结构的顺序文件可以快速检索（根据关键字快速找到记录）
最大缺点：不方便增加/删除 记录
索引文件
建立一张索引表，每个记录对应一个表项，各记录不用保持顺序，方便增加/删除记录
索引表本身就是定长记录的顺序文件，一个索引表项就是一条定长记录，因此索引文件可支持随机存取
若索引表按关键字顺序排列，则可支持快速检索
解决了顺序文件不方便增加/删除记录的问题，同时让不定长记录的文件实现了随机存取，但索引表可能占用很多空间
索引顺序文件
将记录分组，每组对应一个索引表项
检索记录时先顺序查索引表，找到分组，再顺序查找分组
当记录过多时，可建立多级索引表
3. 文件目录
文件目录的实现
一个文件对应一个FCB，一个FCB就是一个目录项，多个FCB组成文件目录
对目录的操作：搜索、创建文件、删除文件、显示文件、修改文件
目录结构
单级目录结构
一个系统只有一张目录表，不允许文件重名
两级目录结构
不同用户的文件可以重名，但不能对文件进行分类
多级（树形）目录结构
不同目录下的文件可以重名，可以对文件进行分类，不方便文件共享
系统根据文件路径找到目录文件
从根目录出发的路径是绝对路径
从当前目录出发的路径是相对路径
无环图目录结构
在树形目录结构的基础上，增加一些指向同一节点的有向边，使整个目录成为一个有向无环图
为共享节点设置一个共享计数器，技术为0时才真正删除该节点
索引节点
除了文件名之外的所有信息都放在索引节点中，每个文件对应一个索引节点
目录项中只包含文件名，索引节点指针，因此每个目录项的长度大幅减小
由于目录项长度减小，因此每个磁盘块可以存放更多个目录项，因此检索文件时磁盘I/O的次数就减少了很多
4. 文件的物理结构（文件分配方式）
对非空闲磁盘块的管理
连续分配
为文件分配的必须是连续的磁盘块
目录项内容：起始块号、文件长度
顺序存取速度快，支持随机访问
会产生碎片，不利于文件拓展
链接分配
隐式分配
除文件的最后一个盘块之外，每个盘块中都存有指向下一个盘块的指针
目录项内容：起始块号、结束块号
可解决碎片问题，外存利用率高，文件拓展实现方便
只能顺序访问，不能随机访问
显式分配
建立一张文件分配表FAT，显式记录盘块的先后关系（开机后FAT常驻内存）
目录项内容：起始块号
除了拥有隐式链接的优点之外，还可通过查询内存中的FAT实现随机访问
FAT需要占用一定的存储空间
索引分配
为文件数据块建立索引表，若文件太大，可采用链接方案、多层索引、混合索引
链接方案记录的是第一个索引快的块号，多层/混合索引记录的是顶级索引快的块号
支持随机访问，易于实现文件的拓展
索引表需要占用一定的存储空间，访问数据块前需要先读入索引快。若采用链接方案，查找索引快时可能需要很多次读磁盘操作
5. 文件存储空间管理
对空闲磁盘块的管理
存储空间的划分与初始化
文件卷（逻辑卷），目录区、文件区的概念
目录区包含文件目录、空闲表、位示图、超级快等用于文件管理的数据
空闲表法
空闲表中记录每个连续空闲区的起始块号、盘块数
分配时可采用首次适应、最佳适应等策略；回收时注意表项的合并问题
空闲链表法
空闲盘块链
以盘块为单位组成一条空闲链
分配时从链头依次取出空闲块，回收时将空闲块插到链尾
空闲盘区链
以盘区为单位组成一条空闲链
分配时可采用首次适应、最佳适应等策略；回收时注意相邻空闲盘区合并的问题
位示图法
二进制位对应一个盘块。（字号，位号）或（行号，列号）与盘块号一一对应
重要考点：要能够自己退出盘块号到（字号，位号）的相互转换公式
需要注意的题目条件
二进制0/1到底哪个代表空闲，哪个代表不空闲
字号，位号，盘块号到底是从0开始还是从1开始
成组链接法
UNIX采用的策略，适应大型文件系统，理解即可，不方便文字描述的知识点也很难作为考题
6. 文件的基本操作
创建文件
分配外存空间，创建目录项
删除文件
回收外存空间，删除目录项
打开文件
将目录项中的信息复制到内存中的打开文件表中，并将打开文件表的索引号返回给用户
打开文件时并不会把文件数据直接读入内存。索引号也称文件描述符
打开文件之后，对文件的操作不再需要每次都查询目录，可以根据内存中的打开文件表进行操作
每个进程由自己的打开文件表，系统中也有一张总的打开文件表
进程打开文件表中特有的属性：读写指针、访问权限（只读？只写？）
系统打开文件表中特有的属性：打开计数器（有多少个进程打开了该文件）
关闭文件
将进程打开文件表中的相应表项删除
系统打开文件表的打开计数器减1，若打开计数器为0，则删除系统表中的表项
读文件
根据读指针、读入数据量、内存位置将文件数据从外存读入内存
写文件
根据写指针、写出数据量、内存位置 将文件数据从内存写出外存
7. 文件共享
硬链接
各个用户的目录项指向同一个索引节点
索引节点中需要有链接计数count
某用户想删除文件时，只是删除用户的目录项，且count--
只有count==0时才能真正删除文件数据和索引节点，否则会导致指针悬空
软链接（符号链接）
在一个Link型的文件中记录共享文件的存放路径（Windows 快捷方式）
操作系统根据路径一层层查找目录，最终找到共享文件
即使软链接指向的共享文件已被删除，Link型文件依然存在，只是通过Link型文件中的路径去查找共享文件会失败（找不到对应目录项）
由于用软链接的方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O，因此用软链接访问的速度要比硬链接慢
8. 文件保护
口令保护
为文件设置一个口令，用户想要访问文件时需要提供口令，由系统验证口令是否正确
实现开销小，但口令一般存放在FCB或索引节点（也就是存放在系统中）因此不太安全
加密保护
用一个密码对文件加密，用户想要访问文件时，需要提供相同的密码才能正确的解密
安全性高，但加密/解密需要耗费一定的时间（eg:异或加密）
访问控制
用一个访问控制表ACL 记录各个用户（或各组用户）对文件的访问权限
对文件的访问类型可以分为：读/写/执行/删除 等
实现灵活，可以实现复杂的文件保护功能
如果对某个目录进行了访问权限的控制，那也要对目录下的所有文件进行相同的访问权限控制
9. 文件系统的层次结构
用户应用程序
用户接口
处理用户发出的系统调用请求
文件目录系统
所有和目录、目录项相关的管理工作都在本层完成
存取控制模块
主要完成文件保护的相关功能
逻辑文件系统与文件信息缓冲区
用户指明想要访问文件记录号，这一层需要将记录号转换为对应的逻辑地址
物理文件系统
把上一层提供的文件逻辑地址转换为实际的物理地址
辅助分配模块
负责文件存储空间的管理，即负责分配和回收存储空间
设备管理模块
设备
直接与硬件交互，负责和硬件直接相关的一些管理工作
10. 磁盘的结构
磁盘、磁道、扇区的概念
磁盘由表面涂有磁性物质的圆形盘片组成
每个盘片被划分为一各个磁道，每个磁道又划分为一个个扇区
如何在磁盘中读/写数据
磁头移动到目标位置，盘片旋转，对应扇区划过磁道次啊能完成读/写
盘面、柱面的概念
磁盘中有多个盘片摞起来，每个盘片有两个盘面
所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面
磁盘的物理地址
柱面号、盘面号、扇区号
磁盘的分类
根据磁头是否可移动
固定头磁盘
移动头磁盘
根据盘片是否可更换
固定盘磁盘
可换盘磁盘
11. 磁盘调度算法
一次磁盘读写操作需要的时间
寻找（寻道）时间：启动磁臂 移动磁头花的时间
延迟时间：将目标扇区转到磁头下面所花的时间
传输时间：读写数据所花的时间
磁盘调度算法
先来先服务FCFS
按访问请求到达的先后顺序进行处理
最短寻找时间优先SSTF
每个都优先相应距离磁头最近的磁盘访问请求
贪心算法的思想，能保证眼前最优，但无法保证总的寻道时间最短
缺点：可能导致饥饿
扫描算法（电梯算法）SCAN
只有磁头移动到最边缘的磁道时才可以改变磁头移动方向
缺点：对各个位置磁道的响应频率不平均
循环扫描算法（C-SCAN算法）
只有磁头朝某个方向移动时才会响应请求，移动到边缘后立即让磁头返回起点，返回途中不响应任何请求
低频考点
LOOK算法
SCAN算法的改进，只要磁头移动方向上不在有请求，就立即改变磁头方向
C-LOOK算法
C-SCAN算法改进，只要磁头移动方向上不再有请求，就立即让磁头返回
12. 减少延迟时间的方法
交替编号
具体做法：让编号相邻的扇区在物理上不相邻
原理：读取完一个扇区后需要一段时间处理才可以继续读入下一个扇区
错位命名
具体做法：让相邻盘面的扇区编号错位
原理：与交替编号的原理相同，错位命名法可降低延迟时间
磁盘地址结构的设计
理解为什么要用（柱面号，盘面号，扇区号）的结构
理解为什么不用（盘面号，柱面号，扇区号）的结构
原因：在读取地址连续的磁盘块时，前者不需要移动磁头
13. 磁盘的管理
磁盘初始化
低级格式化/物理格式化：划分扇区
磁盘分区（C盘、D盘、E盘）
逻辑格式化：建立文件系统（建立根目录文件、建立用于存储空间管理的数据结构）
引导块
计算机启动时需要运行初始化程序（自举程序）来完成初始化
ROM中存放很小的自举装入程序
完整的自举程序存放在初始块（引导块）中
坏块的管理
简单的磁盘：逻辑格式化时将坏块标记出来
复杂的磁盘：磁盘控制器维护一个坏块链，并管理备用扇区
