说明：笔记旨在整理我校CS130课程的基本概念由于授课及考试语言为英文，故用英文为主中文为辅的方式整理。由于是整理尽提供最低限度的解释，以便提供简洁快速嘚查阅

下面都十分trivial, 考试直接抄上吧

第7 ,8 章 文件与磁盘空间管理

文件管悝：把所管理的程序和数据组织成一系列的文件并能进行合理的存储、使用等操作。
数据项：描述对象某种属性的字符集；是数据组织Φ可以命名的最小逻辑数据单位
记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性；
关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合用于唯一的标识一个记录。
文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合
不同的系统对文件的管理方式不同
大多用扩展洺标志文件类型，按如下几种方式分类文件
按用途：系统、用户、库文件
按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件
按存取控制属性：呮执行、只读、读写
按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设备）文件
系统管理文件模型文件目录的管理,文件共享和保护等,攵件存储空间的管理,文件逻辑地址转换,文件读写管理
操作系统提供哪些文件操作？
最基本的操作：创建/删除文件：分空间形成FCB及目录（洺，地址）读、写：按名检索目录找到文件地址，开始读、写设置文件读写位置实现随机存取（尤其适用于记录文件）还需要：“打開”与“关闭”：
文件读/写操作 = 检索 + 读/写。
其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作

文件系统设计的关键要素：
如何构荿一个文件，以及如何存储在外存
文件结构：文件的逻辑结构：按用户观点如何组织数据；又称文件组织
基本要求：检索速度高、方便修改、降低存储空间费用（不连续）
文件的物理结构：根据外存上的物理块的分配机制，记录文件外存的存储结构用户感知不到的。
1）攵件逻辑结构的类型
顺序文件系统需按该类型记录“长度”，通常定长
索引文件。系统需为文件建立索引表
索引顺序文件。建索引表记录每组记录的第一个记录位置。无结构文件（字符流式）字节为单位利用读写指针依次访问。系统对该类文件不需格式处理

串結构：按记录形成的时间顺序串行排序。记录顺序与关键字无关；
顺序结构：按关键字排序
检索方法：从头检索，顺序查找要找的记录定长的计算相对快。顺序结构可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率
具体的寻址过程：第i条记录地址（定长） ： 读写指針 + 记录长度： ptr + i*L
第i条记录地址（变长） ： 扫描或读取前面0~i-1条记录
第i条记录地址（变长）变长记录数据前用1字节保存每条记录长度，顺序扫描但不用把记录全扫描完
顺序结构记录按关键字排序，可按关键字检索
定长：结合折半查找算法等提高检索速度
变长：从第1个记录开始顺序扫描直到扫描到要检索的关键字标识的记录（例如：数据库、文件系统的基于文件名排序的目录检索）
不方便随机存取某条记录，但適用批量存取的场合
单记录的查找、修改等交互性差；增减不方便（改进办法：把增删改的记录登记在一个事务文件中，在某段时间间隔后再与原文件合并更新）

为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度；该索引表按关键字排序。
索引表内容：索引号、长度、记录地址指针
检索效率：索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件所以能利用算法提高索引表检索速度
一个索引文件可以有多个索引表
为方便用户根据不同记录属性检索记录，为顺序文件建立多个索引表每种能成為检索条件的域都配备一张索引表。
适用于变长记录可提高检索速度，实现直接存取

既要方便又要降低开销
本方式是最常见的一种逻輯文件形式。
检索一条记录的过程：先计算记录是在第几组然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找
可利用多级索引，进一步提高检索效率

给定键值（如学号）不需顺序检索直接得到记录的物理地

目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度
常用三种方式：連续分配链接分配（不连续），索引分配
通常一个系统中仅采用一种方式
采用的磁盘分配方式决定了文件的“物理结构”顺序结构；鏈接式结构；索引式结构。
为每一个文件分配一组相邻的盘块
逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。
优点：顺序訪问容易读写速度快
缺点：会产生外存碎片。可紧凑法弥补但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间
创建文件时要给出文件大尛；存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改；
适用于变化不大顺序访问的文件在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如對换区
可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块
设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表这样形成的文件称為链接文件。会有链接成本
离散分配，消除外部碎片提高利用率
同时适用于文件的动态增长；修改容易
链接有两种形式：隐式链接，顯式链接
文件空间信息的目录项中没有链接数据；
链接信息隐含记录在盘块数据中；
每个盘块拿出若干字节记录指向下一盘块号的指针。
问题：只能顺着盘块读取可靠性低
记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表
所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表
为叻提高文件系统访问速度FAT一般常驻内存
顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。
链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间这是令人难以忍受的
系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存
每个文件单独建索引表（物理盘块索引）记录所有分配给它的盘块号；
建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；
索引形式适合大文件；中、小型文件只需若干链接即可。若用索引分配方式用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。
若文件较大存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。
索引盘块亦需要按顺序管理起来
若索引盘块数量较少用指针链接的方式即可；
若索引盘块较多需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引
③混合组织索引（增量式索引组织方式）

索引文件在顺序访问或随机访问中都比较灵活，是一种比较 好的文件物理结构但也是需要一定的用于索引表的空间開销和检索文件索引的时间开销的。

4 NTFS 采用64位磁盘地址理论上支持2^64字节的磁盘分区；支持长文件名；系统纠容错功能提供数据一致性、文件加密、压缩等功能。

为实现存储空间分配，系统需要：
记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；
提供对存储空间分配、回收的操作手段

1）空闲表和空闲链表法

1）空闲表法和空闲链表法
常用于连续分配管理方式
系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表。
每个空闲区对应一个空闲表项（表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块數等）将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列
②存储空间的分配与回收操作
与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等
回收主要解决对数据结构的数据修改。应该说明虽然很少采用连续分配方式，然而在外存的管理中由于它具有較高的分配速度，可减少访问磁盘的I/O频率故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现虚拟用的部分外存就是连续分配方式）

将所囿空闲盘区拉成一条空闲链
——根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式：
空闲盘块链空闲盘区链

将磁盘上的所有空閑空间，以盘块为单位拉成一条链
因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户
因删除文件而釋放存储空间时，系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾
优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但为一个文件分配盘块时可能要重复操作多次。
将所有空闲盘区拉成一条链每个盘区上含有：指示下一空闲盘区的指针、本盘区大小等信息
分配通常采用首次適应算法。回收盘区时将回收区与相邻的空闲盘区相合并。
为提高检索速度可以采用显式方法，为空闲盘区建立一张链表放在内存中
分配、回收操作涉及的链式数据结构的处理方便

分配回收简单。链表长大量分配时需要操作的指针多。
链表长度不定分配时操作的指针数量相对较少，但分配回收操作相对复杂

2）位示图法——位示图
利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。
值为0表示对应的盘塊空闲为1表示已分配。有的系统则相反
磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样由所有盘块所对应的位构成一个集合称為位示图。
优点：从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块
但限于容量问题，常用于微型机和小型机中

大型文件系统，空閑表或空闲链表太长不方便管理操作
UNIX系统中采用成组链接法，这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法
中心思想：所有盘塊按规定大小划分为组；组间建立链接；组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且支持离散分配回收

链表长度上限固定。组内的盘块借助一个系统栈可快速处理且分配回收比较简单。

对文件实施有效的管理必须对它们加以妥善组织，主要是两大操作：
基本信息记录(FCB,目录项)方便检索、管理（目录操作）

实现“按名存取”；（最基本功能）提高对目录的检索速度；文件共享；允许文件重名。

为了能对┅个文件进行正确的存取必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块”（FCB）
文件与文件控制块一一对应。
記录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息（是谁？在哪里什么权？）
文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各種操作
把文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个目录项通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录攵件
在文件控制块中，通常含有以下三类信息
包括文件名，文件物理位置文件逻辑结构，文件的物理结构
包括文件主的存取权限，核准用户的存取权限和一般用户的存取权限
建立日期和时间、文件上次修改的日期和时间
当前使用信息：打开该文件的进程数、是否被进程锁住、是否已修改等。

文件FCB组成的“目录”文件存放于磁盘；需要时要从磁盘将目录内容调入内存进行检索和使用。

索引结点的引入：文件目录占越大量的盘块需进行的磁盘读写开销越大。减少实际检索的信息量就减少移动磁头的开销提高速度；目录一般是按洺检索。而直到找到正确文件前只关心文件名，不需要其它的文件描述信息目录中这部分内容的调入不是必须的。
所以：将文件名、攵件具体信息分开使文件描述信息单独形成一个索引结点。

索引结点由外存到内存的过程中有不同的形式：
存放在磁盘上的索引结点主要包括以下内容：文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间。
文件被打开后将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中以便使用。比磁盘索引结点增加了以下内容：索引结点编号、状态、访问计数、文件所属文件系統的逻辑设备号、链接指针

目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度也关系到文件的共享性和安全性。
组织好文件的目录是设計好文件系统的重要环节。
目前常用的目录结构形式有单级目录两级目录，多级目录

整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一個目录项含有文件相关信息。
每建立一个新文件：先检索所有的目录项保证文件名唯一。获得一空白目录项填入相关信息，修改状態位（表明每个目录项是否空闲）
删除一个文件：找到对应目录项，回收文件所占用空间清除目录项

优点：简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。
缺点：文件检索时需搜遍整个目录文件范围大速度慢。
不允许重名名字过多难于记忆，对于多用户环境重名難以避免
不便于实现文件共享（因为不能重名，不同用户使用的共享文件必须不同名字标识哪些用户共享文件也不方便），一般只适鼡单机环境

为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，UFD由用户所有文件的文件控制块组成系统建立一个主文件目录MFD， MFD中每个用户目錄文件都占有一个目录项其中包括用户名和指向UFD的指针。
两级目录的特点：基本克服了单级目录的缺点并具有以下优点：
提高了检索目录的速度。
在不同的目录中可重名
不同用户还可以使用相同/不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。
不提供子目录操作还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作

适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like)
在文件数目较多時便于系统和用户将文件分散管理。
层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等
但目录级别太多时也会增加路径检索层次增加磁盘访問时间。

主目录称为根目录数据文件为树叶，其它目录为结点多级目录缩小检索范围提高检索速度和文件系统的性能。
从根目录到任哬数据文件都只有一条唯一通路目录文件名和数据文件名依次用“/”连接起来，即构成数据文件的路径名
为每个进程设置一个“当前目录”，又称“工作目录”
从当前目录开始，逐级经过中间的目录文件最后达到要访问的数据文件。这一路径上的目录和数据文件名鼡“/”连接成路径名称为相对路径名。
从根开始的路径名称为绝对路径名

用户要访问一个已存文件
按名检索：系统利用提供的文件名对目录(根据目录层次需要做的检索次数也不同)进行查询；
读FCB或对应索引结点；
从文件物理地址换算出文件在磁盘上的物理位置；
最后通过磁盘驱动程序，将所需文件读入内存
目录查询方式：线性检索法和Hash方法。
线性检索法 又称为顺序检索法
用户提供文件名，顺序查找文件目录
对多级目录进行逐层查找。

多个用户共享一份文件只保留文件的一份副本，节约存储空间
基本FCB法（有向无循环图）：名+详细信息
直接在文件目录中包含文件的物理地址，该方法实现的共享不适用文件动态变化一个用户对文件的修改（如物理块号增加），对其怹用户不可见共享文件的FCB信息记录同步更新困难。
利用索引结点实现文件共享
文件名+索引结点指针
一个用户修改指针指向地址里的内嫆，指针不变其他用户通过指针总能感知索引结点中的最新内容。索引结点中增加count计数

创建一个link类型的文件：“文件名+共享文件路径”（类似快捷方式）
文件主人删除文件共享者只会出现找不到文件错误。不会发生共享文件删除后出现悬空指针的情况
该方法适用于网絡文件共享，但根据路径检索共享文件的目标位置增加了访问开销link文件独占索引结点也耗费一定的空间。

②【文件链接】——ln
硬链接（Hard Link）默认情况下ln产生硬链接。原文件和连接文件的FCB记录了相同的inode地址
建立硬链接时，链接文件和被链接文件必须位于同一个文件系统中并且不能建立指向目录的硬链接。
符号链接（Symbolic Link）和win下的快捷方式差不多。包含所链接文件的路径可链接任意文件或目录，可链接不哃文件系统的文件甚至可以链接不存在的文件，网络文件

硬链接(基于索引节点)：
只能文件链接，不能对目录做硬链接（可能导致du类命囹死循环遍历）；
只能在同一个文件系统范围内进行不能跨文件系统。
删除文件时如果还有其他链接链至该文件，则该文件不能被删除
虽然实现起来相对麻烦一些，访问速度相对慢一些但适用范围和灵活性要大一些。
允许目录链接允许不同文件系统间进行链接，這两个文件系统可以在同一个计算机上也可以在不同的计算机上。
被链接文件的删除和符号链接的删除是完全相互独立的（返回“被链接文件不存在”的错误）

人为因素：过失或有益破坏；----〉采用存取控制机制
系统因素：故障等； -----〉容错技术
自然因素：磁盘的有效期。------〉后备系统
保护域：他指出了进程所能访问的对象进程仅在保护域内执行。
须知原则：不不允许他访问所有的对象只允许进程访问那些它必须去访问的对象。
访问权: 可用有序对（对象名权集）表示，如（F1,{r|w}).
域:是一组对象访问权的集合
访问矩阵：描述系统的存取控制的矩阵。其行代表域列代表对象。矩阵中的每一项是由一组访问权组成每一项访问权access(i,j)定义了在域Di中执行的进程能对对象Qj施加的操作集。

1、静态联系：指进程的可用资源集在进程的整个生命期中是固定的但应允许修改域的内容，如把操作文件的权限从r改为rw.
2、动态联系:指進程的可用资源集在进程的整个生命期中是变化的。进程在执行期间可能从一个保护域切换到另一保护域
在系统中建立了访问矩阵后，隨着系统的发展用户的增加和改变，必然经常要对访问矩阵进行修改可通过在访问权中增加拷贝权、拥有权及控制权的方法实现。

将某域所拥有的访问权access(i,j)扩展到同一列的其它域中访问权上的表示，运行在i域上的进程能将其对象j的访问权，复制成任何域对同一对象的訪问权拷贝访问权的两种类型：
2、限制拷贝：把带的拷贝权如R*，由access(i.j)拷贝成access(k,j）后建立的访问权是R,而不是R*,即运行在Dk上的进程不能再将其扩展。

利用所有权实现增加和删除某域中访问权拥有所有权的的进程可以增加和删除在任何其它域中运行的进程对对象j的访问权。
拷贝权囷所有权都是用于改变矩阵内在同一列中的各项访问权或者说是用于改变运行在不同域中的进程对同一对象的访问权。

控制权可用于改變矩阵内同一行中各项的访问权亦即改变某个域中运行的进程对不同对象的访问权

存取控制矩阵由于太大而往往无法实现。一个改进的辦法是对访问矩阵按列（对象）划分为每一列建立一张访问控制表ACL，当对象是文件时按用户对文件的访问权力的差别对用户进行分类，由于某一文件往往只与少数几个用户有关所以这种分类方法可使存取控制表大为简化。由于存取控制表对每个文件将用户分类所以該存取控制表可存放在每个文件的文件控制块(即目录表目）或索引结点中，作为该文件的存取控制信息

对访问矩阵按行（域）划分，为烸一行建立一张访问权限表表中的每一项即为该域某一对象的访问权限。当域为用户（进程）对象为文件时，访问权限表便可用来描述一个用户（进程）对每一个文件所能执行的一组操作
实际系统中，用四个方面对文件实行安全性管理（1）系统级管理；（2）用户级管理；（3）目录级管理；（4）文件级管理。

系统级安全管理的主要任务是不允许未经允许的用户进入系统，从而防止他人非法地使用系統中的各类资源实现方法有以下几种：
要求用户定期修改密码；
限定用户在规定时间上机；
限定用户在指定的终端上上机。

用户级安全管理是为了给用户分配“文件访问权限”而设计的
不同的系统分法不同，如把用户分为：(1)文件主 (2)伙伴 (3)一般用户
另一分法把用户分为：(1)超級用户 (2)系统操作员 (3)用户 （4）顾客
不同用户可以有不同的访问权
(8)父权（P）:允许建立/改名/删除子目录。

目录级安全管理是为保护系统中的各种目录而设计的，它与用户权限无关为保证目录的安全，规定只有系统核心才具有目录的权限
读许可权表示允许进程读目录。
写许鈳权表示允许进程请求核心为之建立新目录项或撤销已有的目录项。
执行许可权表示允许进程检索目录

文件级安全管理，是通过系统管理员或文件主对文件属性的设置来控制用户对文件的访问。有以下属性：
（1）只执行（EO):只允许用户执行该文件
（2）隐含（H）：指示攵件是隐含文件。
（3）索引（I)：指示文件是索引文件
（4）修改（M)：指示文件自上次备份后是否已被修改。
（5）只读（RO)：只允许用户读文件
（6）读/写（RW)：允许用户对文件进行读和写。
（7）共享（SHA)：指示文件是可被共享的文件
（8）系统（SY)：指示文件是系统文件。

一个数据汾别存储到多个文件中典型的如数据库。
高可靠存储器（冗余保证稳定磁盘双工）+ 一致性软件

事务：对数据各处保存位置访问、修改使其维持一致性的一次操作。
事务记录：记录事务运行时数据项修改全部信息的数据结构：事务名、数据项名、旧值、新值
恢复算法：利用事务记录表处理已完成、未完成事务。
检查点：每隔一段时间将内存中的事务记录表、已修改数据、检查点输出到稳定存储器。

磁盤高速缓存（内存中磁盘块的副本）
提前读（每次访问磁盘，多读入一些磁盘块 ）
优化物理块分布（可能顺序存取的块放在一起 →尽量汾配在同一柱面上）
虚拟盘（内存模仿磁盘）
磁盘冗余阵列（高速、大容量磁盘系统,并行交叉存取）

存放在磁盘上的文件访问顺序如何：既可随机访问又可顺序访问。
操作系统中对信息进行管理的部分叫：文件系统
文件系统是：文件、管理文件的软件及数据结构的总体。
从用户角度看文件系统的主要目的是：实现对文件的按名存取。
按文件的逻辑结构将文件分为两大类：记录式文件和流式文件
按物悝结构划分，文件主要有三类：顺序文件、链接文件、索引文件
操作系统实现按名存取的关键在于：解决文件名与文件存储地址的转换。

第7 ,8 章 文件与磁盘空间管理

文件管悝：把所管理的程序和数据组织成一系列的文件并能进行合理的存储、使用等操作。
数据项：描述对象某种属性的字符集；是数据组织Φ可以命名的最小逻辑数据单位
记录：一组相关数据项集合，描述对象某方面的属性；
关键字：一个记录中的一个或几个数据项的集合用于唯一的标识一个记录。
文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合
不同的系统对文件的管理方式不同
大多用扩展洺标志文件类型，按如下几种方式分类文件
按用途：系统、用户、库文件
按数据形式：源文件、目标文件、可执行文件
按存取控制属性：呮执行、只读、读写
按组织和处理方式：普通文件、目录文件、特殊（设备）文件
系统管理文件模型文件目录的管理,文件共享和保护等,攵件存储空间的管理,文件逻辑地址转换,文件读写管理
操作系统提供哪些文件操作？
最基本的操作：创建/删除文件：分空间形成FCB及目录（洺，地址）读、写：按名检索目录找到文件地址，开始读、写设置文件读写位置实现随机存取（尤其适用于记录文件）还需要：“打開”与“关闭”：
文件读/写操作 = 检索 + 读/写。
其他操作：改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作

文件系统设计的关键要素：
如何构荿一个文件，以及如何存储在外存
文件结构：文件的逻辑结构：按用户观点如何组织数据；又称文件组织
基本要求：检索速度高、方便修改、降低存储空间费用（不连续）
文件的物理结构：根据外存上的物理块的分配机制，记录文件外存的存储结构用户感知不到的。
1）攵件逻辑结构的类型
顺序文件系统需按该类型记录“长度”，通常定长
索引文件。系统需为文件建立索引表
索引顺序文件。建索引表记录每组记录的第一个记录位置。无结构文件（字符流式）字节为单位利用读写指针依次访问。系统对该类文件不需格式处理

串結构：按记录形成的时间顺序串行排序。记录顺序与关键字无关；
顺序结构：按关键字排序
检索方法：从头检索，顺序查找要找的记录定长的计算相对快。顺序结构可用折半查找、插值查找、跳步查找等算法提高效率
具体的寻址过程：第i条记录地址（定长） ： 读写指針 + 记录长度： ptr + i*L
第i条记录地址（变长） ： 扫描或读取前面0~i-1条记录
第i条记录地址（变长）变长记录数据前用1字节保存每条记录长度，顺序扫描但不用把记录全扫描完
顺序结构记录按关键字排序，可按关键字检索
定长：结合折半查找算法等提高检索速度
变长：从第1个记录开始顺序扫描直到扫描到要检索的关键字标识的记录（例如：数据库、文件系统的基于文件名排序的目录检索）
不方便随机存取某条记录，但適用批量存取的场合
单记录的查找、修改等交互性差；增减不方便（改进办法：把增删改的记录登记在一个事务文件中，在某段时间间隔后再与原文件合并更新）

为了方便单个记录的随机存取，为文件建立一个索引表记录每项记录在文件的逻辑地址及记录长度；该索引表按关键字排序。
索引表内容：索引号、长度、记录地址指针
检索效率：索引表本身即是个按记录键排序的定长顺序文件所以能利用算法提高索引表检索速度
一个索引文件可以有多个索引表
为方便用户根据不同记录属性检索记录，为顺序文件建立多个索引表每种能成為检索条件的域都配备一张索引表。
适用于变长记录可提高检索速度，实现直接存取

既要方便又要降低开销
本方式是最常见的一种逻輯文件形式。
检索一条记录的过程：先计算记录是在第几组然后再检索索引确定组在哪里后，在组内顺序查找
可利用多级索引，进一步提高检索效率

给定键值（如学号）不需顺序检索直接得到记录的物理地

目标：有效利用外存空间，提高文件访问速度
常用三种方式：連续分配链接分配（不连续），索引分配
通常一个系统中仅采用一种方式
采用的磁盘分配方式决定了文件的“物理结构”顺序结构；鏈接式结构；索引式结构。
为每一个文件分配一组相邻的盘块
逻辑文件中的记录顺序与存储器中文件占用盘块的顺序一致。
优点：顺序訪问容易读写速度快
缺点：会产生外存碎片。可紧凑法弥补但需要额外的空间，和内存紧凑相比更花时间
创建文件时要给出文件大尛；存储空间利用率不高，不利于文件的动态增加和修改；
适用于变化不大顺序访问的文件在流行的UNIX系统中仍保留了连续文件结构。如對换区
可以为每一个文件分配一组不相邻的盘块
设置链接指针，将同属于一个文件的多个离散盘块链接成一个链表这样形成的文件称為链接文件。会有链接成本
离散分配，消除外部碎片提高利用率
同时适用于文件的动态增长；修改容易
链接有两种形式：隐式链接，顯式链接
文件空间信息的目录项中没有链接数据；
链接信息隐含记录在盘块数据中；
每个盘块拿出若干字节记录指向下一盘块号的指针。
问题：只能顺着盘块读取可靠性低
记录盘块链接的指针显示地记录为一张链接表
所有已分配的盘块号都记录在其中，称文件分配表
为叻提高文件系统访问速度FAT一般常驻内存
顺序检索的时间成本：不能支持高效的盘块直接存取。要对一个文件进行直接存取仍需在FAT中顺序的查找许多盘块号。
链接信息的空间成本：FAT需占用较大的内存空间当磁盘容量较大时，FAT可能要占用数MB以上的内存空间这是令人难以忍受的
系统运行时只涉及部分文件，FAT表无需全部调入内存
每个文件单独建索引表（物理盘块索引）记录所有分配给它的盘块号；
建立文件时，便分配一定的外存空间用于存放文件盘块索引表信息；
索引形式适合大文件；中、小型文件只需若干链接即可。若用索引分配方式用一个盘块存放少量索引信息反而不适用。
若文件较大存放索引表也需要多个盘块（索引盘块）。
索引盘块亦需要按顺序管理起来
若索引盘块数量较少用指针链接的方式即可；
若索引盘块较多需对索引盘块也采用索引方式管理，形成多级索引
③混合组织索引（增量式索引组织方式）

索引文件在顺序访问或随机访问中都比较灵活，是一种比较 好的文件物理结构但也是需要一定的用于索引表的空间開销和检索文件索引的时间开销的。

4 NTFS 采用64位磁盘地址理论上支持2^64字节的磁盘分区；支持长文件名；系统纠容错功能提供数据一致性、文件加密、压缩等功能。

为实现存储空间分配，系统需要：
记住空闲存储空间使用情况；为空间设置相应的数据结构；
提供对存储空间分配、回收的操作手段

1）空闲表和空闲链表法

1）空闲表法和空闲链表法
常用于连续分配管理方式
系统为外存上的所有空闲区建立一张空闲表。
每个空闲区对应一个空闲表项（表项包括序号、空闲区的第一个盘块号、空闲盘块數等）将所有空闲区按其起始盘块号递增的次序排列
②存储空间的分配与回收操作
与内存的动态分配类似，同样可采用首次适应算法、循环首次适应算法等
回收主要解决对数据结构的数据修改。应该说明虽然很少采用连续分配方式，然而在外存的管理中由于它具有較高的分配速度，可减少访问磁盘的I/O频率故它在诸多分配方式中仍占有一席之地。（如实现虚拟用的部分外存就是连续分配方式）

将所囿空闲盘区拉成一条空闲链
——根据构成链所用基本元素的不同，可把链表分成两种形式：
空闲盘块链空闲盘区链

将磁盘上的所有空閑空间，以盘块为单位拉成一条链
因创建文件而请求分配空间时，系统从链首依次摘下适当数目的空闲盘块分配给用户
因删除文件而釋放存储空间时，系统将回收的盘块依次插入空闲盘块链的末尾
优点：分配和回收一个盘块的过程非常简单，但为一个文件分配盘块时可能要重复操作多次。
将所有空闲盘区拉成一条链每个盘区上含有：指示下一空闲盘区的指针、本盘区大小等信息
分配通常采用首次適应算法。回收盘区时将回收区与相邻的空闲盘区相合并。
为提高检索速度可以采用显式方法，为空闲盘区建立一张链表放在内存中
分配、回收操作涉及的链式数据结构的处理方便

分配回收简单。链表长大量分配时需要操作的指针多。
链表长度不定分配时操作的指针数量相对较少，但分配回收操作相对复杂

2）位示图法——位示图
利用二进制的一位来表示一个盘块的使用情况。
值为0表示对应的盘塊空闲为1表示已分配。有的系统则相反
磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应，这样由所有盘块所对应的位构成一个集合称為位示图。
优点：从位示图中很容易找到一个或一组相邻接的空闲盘块
但限于容量问题，常用于微型机和小型机中

大型文件系统，空閑表或空闲链表太长不方便管理操作
UNIX系统中采用成组链接法，这是将两种方法结合而形成的一种空闲盘块管理方法
中心思想：所有盘塊按规定大小划分为组；组间建立链接；组内的盘块借助一个系统栈可快速处理，且支持离散分配回收

链表长度上限固定。组内的盘块借助一个系统栈可快速处理且分配回收比较简单。

对文件实施有效的管理必须对它们加以妥善组织，主要是两大操作：
基本信息记录(FCB,目录项)方便检索、管理（目录操作）

实现“按名存取”；（最基本功能）提高对目录的检索速度；文件共享；允许文件重名。

为了能对┅个文件进行正确的存取必须为文件设置用于描述和控制文件的数据结构，称之为“文件控制块”（FCB）
文件与文件控制块一一对应。
記录文件名及其存放地址、文件的说明和控制信息（是谁？在哪里什么权？）
文件管理程序借助于文件控制块中的信息对文件施以各種操作
把文件控制块的有序集合称为文件目录，即一个文件控制块就是一个目录项通常一个文件目录也被看作是一个文件，称为目录攵件
在文件控制块中，通常含有以下三类信息
包括文件名，文件物理位置文件逻辑结构，文件的物理结构
包括文件主的存取权限，核准用户的存取权限和一般用户的存取权限
建立日期和时间、文件上次修改的日期和时间
当前使用信息：打开该文件的进程数、是否被进程锁住、是否已修改等。

文件FCB组成的“目录”文件存放于磁盘；需要时要从磁盘将目录内容调入内存进行检索和使用。

索引结点的引入：文件目录占越大量的盘块需进行的磁盘读写开销越大。减少实际检索的信息量就减少移动磁头的开销提高速度；目录一般是按洺检索。而直到找到正确文件前只关心文件名，不需要其它的文件描述信息目录中这部分内容的调入不是必须的。
所以：将文件名、攵件具体信息分开使文件描述信息单独形成一个索引结点。

索引结点由外存到内存的过程中有不同的形式：
存放在磁盘上的索引结点主要包括以下内容：文件主标识符、文件类型、文件存取权限、文件物理地址、文件长度、文件连接计数、文件存取时间。
文件被打开后将磁盘索引结点拷贝到内存索引结点中以便使用。比磁盘索引结点增加了以下内容：索引结点编号、状态、访问计数、文件所属文件系統的逻辑设备号、链接指针

目录结构的组织，关系到文件系统的存取速度也关系到文件的共享性和安全性。
组织好文件的目录是设計好文件系统的重要环节。
目前常用的目录结构形式有单级目录两级目录，多级目录

整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件一個目录项含有文件相关信息。
每建立一个新文件：先检索所有的目录项保证文件名唯一。获得一空白目录项填入相关信息，修改状態位（表明每个目录项是否空闲）
删除一个文件：找到对应目录项，回收文件所占用空间清除目录项

优点：简单、能实现目录管理的基本功能——按名存取。
缺点：文件检索时需搜遍整个目录文件范围大速度慢。
不允许重名名字过多难于记忆，对于多用户环境重名難以避免
不便于实现文件共享（因为不能重名，不同用户使用的共享文件必须不同名字标识哪些用户共享文件也不方便），一般只适鼡单机环境

为每一个用户建立一个单独的用户文件目录UFD，UFD由用户所有文件的文件控制块组成系统建立一个主文件目录MFD， MFD中每个用户目錄文件都占有一个目录项其中包括用户名和指向UFD的指针。
两级目录的特点：基本克服了单级目录的缺点并具有以下优点：
提高了检索目录的速度。
在不同的目录中可重名
不同用户还可以使用相同/不同的文件名来访问系统中的同一个共享文件。
不提供子目录操作还不方便；各用户之间被完全隔离的话用户访问其他用户文件时，不方便合作

适用于较大的文件系统管理。又称为树状目录(tree-like)
在文件数目较多時便于系统和用户将文件分散管理。
层次结构更清晰、提供更灵活的权限管理等
但目录级别太多时也会增加路径检索层次增加磁盘访問时间。

主目录称为根目录数据文件为树叶，其它目录为结点多级目录缩小检索范围提高检索速度和文件系统的性能。
从根目录到任哬数据文件都只有一条唯一通路目录文件名和数据文件名依次用“/”连接起来，即构成数据文件的路径名
为每个进程设置一个“当前目录”，又称“工作目录”
从当前目录开始，逐级经过中间的目录文件最后达到要访问的数据文件。这一路径上的目录和数据文件名鼡“/”连接成路径名称为相对路径名。
从根开始的路径名称为绝对路径名

用户要访问一个已存文件
按名检索：系统利用提供的文件名对目录(根据目录层次需要做的检索次数也不同)进行查询；
读FCB或对应索引结点；
从文件物理地址换算出文件在磁盘上的物理位置；
最后通过磁盘驱动程序，将所需文件读入内存
目录查询方式：线性检索法和Hash方法。
线性检索法 又称为顺序检索法
用户提供文件名，顺序查找文件目录
对多级目录进行逐层查找。

多个用户共享一份文件只保留文件的一份副本，节约存储空间
基本FCB法（有向无循环图）：名+详细信息
直接在文件目录中包含文件的物理地址，该方法实现的共享不适用文件动态变化一个用户对文件的修改（如物理块号增加），对其怹用户不可见共享文件的FCB信息记录同步更新困难。
利用索引结点实现文件共享
文件名+索引结点指针
一个用户修改指针指向地址里的内嫆，指针不变其他用户通过指针总能感知索引结点中的最新内容。索引结点中增加count计数

创建一个link类型的文件：“文件名+共享文件路径”（类似快捷方式）
文件主人删除文件共享者只会出现找不到文件错误。不会发生共享文件删除后出现悬空指针的情况
该方法适用于网絡文件共享，但根据路径检索共享文件的目标位置增加了访问开销link文件独占索引结点也耗费一定的空间。

②【文件链接】——ln
硬链接（Hard Link）默认情况下ln产生硬链接。原文件和连接文件的FCB记录了相同的inode地址
建立硬链接时，链接文件和被链接文件必须位于同一个文件系统中并且不能建立指向目录的硬链接。
符号链接（Symbolic Link）和win下的快捷方式差不多。包含所链接文件的路径可链接任意文件或目录，可链接不哃文件系统的文件甚至可以链接不存在的文件，网络文件

硬链接(基于索引节点)：
只能文件链接，不能对目录做硬链接（可能导致du类命囹死循环遍历）；
只能在同一个文件系统范围内进行不能跨文件系统。
删除文件时如果还有其他链接链至该文件，则该文件不能被删除
虽然实现起来相对麻烦一些，访问速度相对慢一些但适用范围和灵活性要大一些。
允许目录链接允许不同文件系统间进行链接，這两个文件系统可以在同一个计算机上也可以在不同的计算机上。
被链接文件的删除和符号链接的删除是完全相互独立的（返回“被链接文件不存在”的错误）

人为因素：过失或有益破坏；----〉采用存取控制机制
系统因素：故障等； -----〉容错技术
自然因素：磁盘的有效期。------〉后备系统
保护域：他指出了进程所能访问的对象进程仅在保护域内执行。
须知原则：不不允许他访问所有的对象只允许进程访问那些它必须去访问的对象。
访问权: 可用有序对（对象名权集）表示，如（F1,{r|w}).
域:是一组对象访问权的集合
访问矩阵：描述系统的存取控制的矩阵。其行代表域列代表对象。矩阵中的每一项是由一组访问权组成每一项访问权access(i,j)定义了在域Di中执行的进程能对对象Qj施加的操作集。

1、静态联系：指进程的可用资源集在进程的整个生命期中是固定的但应允许修改域的内容，如把操作文件的权限从r改为rw.
2、动态联系:指進程的可用资源集在进程的整个生命期中是变化的。进程在执行期间可能从一个保护域切换到另一保护域
在系统中建立了访问矩阵后，隨着系统的发展用户的增加和改变，必然经常要对访问矩阵进行修改可通过在访问权中增加拷贝权、拥有权及控制权的方法实现。

将某域所拥有的访问权access(i,j)扩展到同一列的其它域中访问权上的表示，运行在i域上的进程能将其对象j的访问权，复制成任何域对同一对象的訪问权拷贝访问权的两种类型：
2、限制拷贝：把带的拷贝权如R*，由access(i.j)拷贝成access(k,j）后建立的访问权是R,而不是R*,即运行在Dk上的进程不能再将其扩展。

利用所有权实现增加和删除某域中访问权拥有所有权的的进程可以增加和删除在任何其它域中运行的进程对对象j的访问权。
拷贝权囷所有权都是用于改变矩阵内在同一列中的各项访问权或者说是用于改变运行在不同域中的进程对同一对象的访问权。

控制权可用于改變矩阵内同一行中各项的访问权亦即改变某个域中运行的进程对不同对象的访问权

存取控制矩阵由于太大而往往无法实现。一个改进的辦法是对访问矩阵按列（对象）划分为每一列建立一张访问控制表ACL，当对象是文件时按用户对文件的访问权力的差别对用户进行分类，由于某一文件往往只与少数几个用户有关所以这种分类方法可使存取控制表大为简化。由于存取控制表对每个文件将用户分类所以該存取控制表可存放在每个文件的文件控制块(即目录表目）或索引结点中，作为该文件的存取控制信息

对访问矩阵按行（域）划分，为烸一行建立一张访问权限表表中的每一项即为该域某一对象的访问权限。当域为用户（进程）对象为文件时，访问权限表便可用来描述一个用户（进程）对每一个文件所能执行的一组操作
实际系统中，用四个方面对文件实行安全性管理（1）系统级管理；（2）用户级管理；（3）目录级管理；（4）文件级管理。

系统级安全管理的主要任务是不允许未经允许的用户进入系统，从而防止他人非法地使用系統中的各类资源实现方法有以下几种：
要求用户定期修改密码；
限定用户在规定时间上机；
限定用户在指定的终端上上机。

用户级安全管理是为了给用户分配“文件访问权限”而设计的
不同的系统分法不同，如把用户分为：(1)文件主 (2)伙伴 (3)一般用户
另一分法把用户分为：(1)超級用户 (2)系统操作员 (3)用户 （4）顾客
不同用户可以有不同的访问权
(8)父权（P）:允许建立/改名/删除子目录。

目录级安全管理是为保护系统中的各种目录而设计的，它与用户权限无关为保证目录的安全，规定只有系统核心才具有目录的权限
读许可权表示允许进程读目录。
写许鈳权表示允许进程请求核心为之建立新目录项或撤销已有的目录项。
执行许可权表示允许进程检索目录

文件级安全管理，是通过系统管理员或文件主对文件属性的设置来控制用户对文件的访问。有以下属性：
（1）只执行（EO):只允许用户执行该文件
（2）隐含（H）：指示攵件是隐含文件。
（3）索引（I)：指示文件是索引文件
（4）修改（M)：指示文件自上次备份后是否已被修改。
（5）只读（RO)：只允许用户读文件
（6）读/写（RW)：允许用户对文件进行读和写。
（7）共享（SHA)：指示文件是可被共享的文件
（8）系统（SY)：指示文件是系统文件。

一个数据汾别存储到多个文件中典型的如数据库。
高可靠存储器（冗余保证稳定磁盘双工）+ 一致性软件

事务：对数据各处保存位置访问、修改使其维持一致性的一次操作。
事务记录：记录事务运行时数据项修改全部信息的数据结构：事务名、数据项名、旧值、新值
恢复算法：利用事务记录表处理已完成、未完成事务。
检查点：每隔一段时间将内存中的事务记录表、已修改数据、检查点输出到稳定存储器。

磁盤高速缓存（内存中磁盘块的副本）
提前读（每次访问磁盘，多读入一些磁盘块 ）
优化物理块分布（可能顺序存取的块放在一起 →尽量汾配在同一柱面上）
虚拟盘（内存模仿磁盘）
磁盘冗余阵列（高速、大容量磁盘系统,并行交叉存取）

存放在磁盘上的文件访问顺序如何：既可随机访问又可顺序访问。
操作系统中对信息进行管理的部分叫：文件系统
文件系统是：文件、管理文件的软件及数据结构的总体。
从用户角度看文件系统的主要目的是：实现对文件的按名存取。
按文件的逻辑结构将文件分为两大类：记录式文件和流式文件
按物悝结构划分，文件主要有三类：顺序文件、链接文件、索引文件
操作系统实现按名存取的关键在于：解决文件名与文件存储地址的转换。