六、文件管理

　　1.引言
　　
　　計算機系統中還有另一類資源是軟資源。軟資源包括各種系統程序、各種實用程序、各種應用程序、各種應用領域的程序，也包括大量的文檔材料。每一種資源本身都是具有一定邏輯意義的、相關信息的集合。在操作系統中它們以文件形式存儲。大多數應用中，文件是最重要的元素，每個應用總要使用和產生數據。一般從文件中輸入數據，其產生的數據也存入文件而長期儲存，供以后使用。系統的重要作用之一是能快速處理大量信息，因此數據的組織、存取和保護是操作系統必須提供的一個重要的功能。文件系統是操作系統中組織、存取和保護數據的一個重要部分。

　　（1）文件的概念文件是信息的一種組織形式，是存儲在輔助存儲器上的具有標識名的一組信息集合。它可以是有格式的，也可以是無格式的。與文件相關的概念有:數據項、記錄、文件和數據庫。數據項是數據的基本單位，一個數據項有一個值，數據項可能是定長的也可能是可變長度的。記錄是相關數據項的集合，與數據項類似，記錄的長度可能是定長的，也可能是可變長度的。文件是記錄的集合，文件是一個實體，被用戶或應用程序按名字訪問，為了安全，每一文件都有訪問控制約束。數據庫是相關數據的集合，數據元素之間有直接的聯系，這些聯系是在設計時為若干個不同的應用而設計的。數據庫本身可由若干文件組成。

　　（2）文件系統操作系統的文件系統包括兩個方面:一方面包括負責管理文件的一組系統軟件，另一方面包括被管理的對象———文件。文件系統的主要目標是提高存儲器的利用率，接受用戶的委托實施對文件的操作。為此要解決的主要問題是:管理輔助存儲器，實現文件從名字空間到輔存地址空間的轉換，決定文件信息的存放位置、存放形式和存取權限，實現文件和目錄的操作，提供文件共享能力和安全設施，提供友好的用戶接口。

　　（3）文件類型文件有多種分類方法，這是根據文件的性質和用途區分的。①按文件的用途可以分為系統文件、庫文件和用戶文件等。②按文件的信息流向可以分為輸入文件、輸出文件和輸入輸出文件等。③按文件的組織形式可以分為普通文件、目錄文件和特殊文件等。特殊文件是UNIX系統采用的技術，是把所有的輸入輸出設備都視作文件（特殊文件）。特殊文件的使用形式是與普通文件相似的。④按文件的安全屬性可分為只讀文件、讀寫文件、可執行文件和不保護文件等。
　　
　　2.文件的結構和組織

　　文件的結構是指文件的組織形式，從用戶觀點所看到的文件組織形式，稱為文件的邏輯結構;從實現觀點考察文件在輔助存儲器上的存放方式，常稱為文件的物理結構。

　　（1）文件的邏輯結構文件的邏輯組織是為了方便用戶的使用，一般文件的邏輯結構可以分為兩種:無結構的字符流文件和有結構的記錄文件，后者也稱為有格式文件。記錄文件由記錄組成，即文件內的信息劃分成多個記錄，以記錄為單位組織和使用信息。記錄文件有順序文件、索引順序文件、索引文件和直接文件。

　　①順序文件:許多文件是順序文件。順序文件的記錄定長，記錄中的數據項的類型長度與次序固定，一般還有一個可以惟一標識記錄的數據項，稱為鍵（key），記錄是按鍵值的約定次序組織。順序文件常用于批處理應用，對于查詢或更新某個記錄的請求的處理性能不佳。
　　
　　②索引順序文件:索引順序文件是基于鍵的約定次序組織的，而且維護鍵的索引和溢出區域。鍵的索引也可以是多級索引。索引順序文件既適用于交互方式應用，也適用于批處理的方式應用。

　　③索引文件:索引順序文件是基于記錄的一個鍵數據項組織的，而許多應用需按照別的數據項訪問文件，為此，常采用索引文件方法，即對主文件中的記錄按需要的數據項（一個或幾個）建索引，索引文件本身是順序文件組織。

　　④直接文件:直接文件又稱哈希（Hash）文件，記錄以它們在直接訪問存儲設備（DASD）上的物理地址直接（隨機）訪問。直接文件常用于需要高速訪問文件而且每次訪問一條記錄的應用中。

　　（2）文件的物理結構文件的物理結構側重于提高存儲器的利用效率和降低存取時間。文件的存儲設備通常劃分為大小相同的物理塊，物理塊是分配和傳輸信息的基本單位。文件的物理結構是指文件在存儲設備上的存儲方法。文件的物理結構涉及文件存儲設備的組塊策略和文件分配策略，決定文件信息在存儲設備上的存儲位置，常用的文件分配策略有:
　　
　　①順序分配（連續分配）。這是最簡單的分配方法，在文件建立時預先分配一個連續的物理塊集，然后，按照邏輯文件中的信息（或記錄）順序，依次把信息（或記錄）順序存儲到物理塊中。這樣，只需知道文件在文件存儲設備上的起始位置和文件長度，就能進行存取，這種分配方法適合于順序存取，在連續存取相鄰信息時，存取速度快。其缺點是在文件建立時必須指定文件的信息長度，以后不能動態增長，一般不宜用于需要經常修改的文件。

　　②鏈接分配（串聯分配）。這是按單個物理塊逐個進行的。每個物理塊中（一般是最后一個單元）設有一個指針，指向下一個物理塊的地址，這樣，所有的物理塊都被鏈接起來，形成一個鏈接隊列。在建立鏈接文件時，不須指定文件的長度，在文件的說明信息中，只需指出該文件的第一個物理塊塊號，鏈接文件的文件長度可以動態的增長，只需調整物理塊間的指針就可以插入或刪除一個信息塊。鏈接分配的優點是可以解決存儲器的碎片問題，提高存儲空間利用率。由于鏈接文件只能按照隊列中的鏈接指針順序查找，因此，搜索效率低，一般只適用于順序訪問，不適用于隨機存取。
　　
　　③索引分配。這是另一種對文件存儲不連續分配的方法。采用索引分配方法的系統，系統為每個文件建立一張索引表，索引表中每一表項指出文件信息所在的邏輯塊號和與之對應的物理塊號。索引分配既可以滿足文件動態增長的要求，又可以方便而迅速地實現隨機存取。這是因為索引表中含有全部邏輯塊號和物理塊號之間的對應關系。對一些大的文件，索引表的大小會超過一個物理塊，就會發生索引表的分配問題。一般采用多級（間接索引）技術，這時在由索引表指出的物理塊中存放的不是文件信息，而是存放文件信息的物理塊地址。這樣，如果一個物理塊能存儲n個物理塊地址，則一次間接索引，可尋址的文件長度將變成n×n塊，對于更大的文件可以采用二級間接索引，甚至三級間接索引技術（如UNIX系統）。索引分配既適用于順序存取，也適用于隨機存取。索引分配的缺點是索引表增加了存儲空間的開銷。另外，在存取文件時需要訪問存儲設備兩次，一次是訪問索引表，另一次是根據索引表提供的物理塊號訪問文件信息，為了提高效率，一種改進的方法是，在對某個文件進行操作之前，預先把索引表調入主存（如Open命令），這樣，文件的存取就能直接從在主存的索引表中確定相應的物理塊號，從而只需要訪問一次磁盤.

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