本篇博客是考研期间学习王道课程 传送门 的笔记，以及一整年里对 操作系统 知识点的理解的总结。希望对新一届的计算机考研人提供帮助！！！
关于对 “文件管理” 章节知识点总结的十分全面，涵括了《操作系统》课程里的全部要点（本人来来回回过了三遍视频），其中还陆陆续续补充了许多内容，所以读者可以相信本篇博客对于考研操作系统 “文件管理” 章节知识点的正确性与全面性；但如果还有自主命题的学校，还需额外读者自行再观看对应学校的自主命题材料。

食用说明书：
第一遍学习王道课程时，我的笔记只有标题和截图，后来复习发现看只看图片，并不能很快的了解截图中要重点表达的知识点。
在第二遍复习中，我给每一张截图中 标记了重点，以及 每张图片上方总结了该图片 对应的知识点 以及自己的 思考 。
最后第三遍，查漏补缺。
所以 ，我把目录放在博客的前面，就是希望读者可以结合目录结构去更好的学习知识点，之后冲刺复习阶段脑海里可以浮现出该知识结构，做到对每一个知识点熟稔于心！
请读者放心！目录展示的知识点结构是十分合理的，可以放心使用该结构去记忆学习！
注意(⊙o⊙)！，每张图片上面的文字，都是该图对应的知识点总结，方便读者更快理解图片内容。

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《操作系统》第4章 文件管理

【考纲内容】 王道 P249 ~ 296

(一) 文件

• 文件的基本概念；
• 文件元数据 和 索引结点；
• 文件的操作：创建、删除、打开、关闭、读、写；
• 文件的保护；
• 文件的逻辑结构；
• 文件的物理结构；

(二) 目录

• 目录的基本概念；
• 树形目录；
• 目录的操作；
• 硬链接 和 软链接；

(一)、(二) 网课总耗时：4 h
 

(三) 文件系统

​ 网课耗时：0.5 h

• 文件系统的全局结构：文件系统在外存中的结构、文件系统在内存中的结构；
• 外存空间空闲空间管理方法；
• 虚拟文件系统；
• 文件系统挂载；

【复习提示】

本章内容较为具体，要注意对概念的理解；

知识点考纲重点掌握

文件系统的结构及其实现		✔
文件分配		✔
空闲空间管理		✔
文件控制块	✔
物理分配方法	✔
索引结构	✔
树形目录结构	✔
文件共享原理	✔
文件系统的布局	✔
虚拟文件系统原理	✔

4.1 文件系统基础

【问题】

• 1) 什么是文件 ？
• 2) 单个文件的逻辑结构和物理结构之间是否存在某种制约关系 ？

​ 本节内容较为抽象，要注意区分文件的 逻辑结构 和 物理结构 ；

​ 在学习过程中，可尝试以上面的两个问题为线索，构建整个文件系统的概念；

​ 在前面的学习中，曾经提醒过读者不要忽略对基本概念的理解。

​ 从历年的情况来看，大部分同学对进程管理、内存管理有较好的掌握，但对于文件管理及后面的I/O管理，往往理解不太深入。

​ 在考试中，即使面对一些基本问题也容易失分，这十分可惜。主要原因还是对概念的理解不够全面和透彻，希望读者能够关注这个问题。

4.1.1 文件的基本概念

1. 文件的属性

• ① 文件名
• ② 标识符
• ③ 类型
• ④ 创建者
• ⑤ 所有者
• ⑥ 位置
• ⑦ 大小
• ⑧ 保护
• ⑨ 创建时间、最后一次修改时间、最后一次存取时间

2. 文件内数据的组织方式

• 无结构文件，流式文件；
• 有结构文件，记录式文件；

3. 文件之间的组织方式

![]](https://img-blog.csdnimg.cn/b18bbb4030ca48f7a8cd14d85a7333c4.png)

4. 操作系统 对 文件管理 向上提供哪些服务 ？

5. 文件如何存放在外存 ？

​ 初步认识 文件共享 和 文件保护

小结

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4.1.2 文件目录

1. 文件控制块

​ 文件控制块 (FCB) 是用来存放控制文件需要的各种信息的数据结构，以实现 按名存取；

​ FCB的有序集合称为 ==文件目录，==一个FCB就是一个文件目录项；

​ 为了创建一个新文件，系统将分配一个FCB并存放在文件目录中，称为 目录项；

2. 目录结构

① 单级目录结构

② 两级目录结构

③ 树形目录结构

​ 树形目录结构 不便于实现文件的共享 ；

④ 无环图目录结构

​ 在树形结构的基础上，允许 ==使用不同的文件名指向同一个文件或目录，==需要为每个共享结点设置一个 共享计数器；

3. 索引结点

​ 文件除文件名之外的文件描述信息，由索引结点（ i 结点）保存；

​ 文件目录中的目录项由 文件名 和 指向该文件所对应的 i 结点 的指针构成；

• 磁盘索引结点
• 内存索引结点

小结

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4.1.3 文件的逻辑结构

1. 无结构文件

2. 有结构文件

​ 记录式文件，由一组相似的 记录 组成，每条记录又由若干个 数据项 组成；

​ 记录 还可以分为 定长记录 和 可变长记录；

​ 有结构文件在逻辑上如何被组织起来，分成三种方式：

• 顺序文件
• 索引文件
• 索引顺序文件

① 顺序文件

② 索引文件

​ 上面提到，可变长记录文件无法实现随机存取，那又想快速查找、又想使用可变长记录，该怎么办？

③ 索引顺序文件

​ 如果为每个记录对应一个索引表项，那就太占用空间了；

​ 但如果先对记录分组，只给各组对应一个索引表项，那就很大程度减小索引表所要占用的空间；

​ 对于记录数量较大的情况，可以建立 ==多级索引表，==进一步提高检索效率；

小结

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4.1.4 文件的物理结构 ⭐

1. 文件块、磁盘块

​ 文件分配，是指如何为文件分配磁盘块，常用的磁盘空间分配方法包括：

• 连续分配
• 链接分配
• 索引分配

2. 文件分配方式 - 连续分配

​ 每个文件在磁盘上占用一组连续的块；

​ 连续分配的文件不方便拓展，需要整体迁移到合适大小的连续空间去；

​ 存储空间利用率低

3. 文件分配方式 - 链接分配

① 隐式链接

② 显式链接

4. 文件分配方式 - 索引分配

索引分配

• 文件 离散地 分配在各个磁盘块中；
• 每个文件对应 ==一张索引表，==记录文件的 各个逻辑块对应的物理块；

​ 与 显式链接 不同，显式链接是整个磁盘的所有文件的索引信息都集中在一张索引表上；

​ 索引表的 逻辑块号 可以是隐含的，进一步节约空间；

​ 一个很大的索引表，一个磁盘块装不下，针对这个问题有以下三种解决方法：

• 链接方案
• 多层索引
• 混合索引

① 链接方案

​ 使用多个索引块存储索引表，并采用链接的方式将它们连起来

② 多层索引

​ K + 1 次读磁盘操作：K次读索引表 + 1次读数据块

③ 混合索引

​ 对于小文件，一个数据块就存储的了；若采用多级索引方式，就要访存多次，影响效率；

​ 采用 ==混合索引，==既可以解决大文件存储问题，还可以减少对于小文件多次访存；

小结

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4.1.5 逻辑结构 vs 物理结构

​

小结

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4.1.6 文件的基本操作

1. 创建文件

2. 删除文件

3. 打开文件

​ 有两种打开文件表

4. 关闭文件

5. 读文件

6. 写文件

小结

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4.1.7 文件共享

​ 注意 共享 与 复制 的区别；

1. 硬链接 - 基于索引结点

2. 软链接 - 基于符号链

小结

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4.1.8 文件保护

​ 为了防止 文件共享 可能会导致 文件被破坏 或 未经核准的用户修改文件，文件系统必须要控制用户对文件的存取；

​ 所以，必须在文件系统中建立相应的 文件保护机制 ；

• 口令 和 加密 为了防止用户文件被他人存取或窃取；
• 访问控制 用于控制用户对文件的访问方式；

1. 口令保护

2. 加密保护

3. 访问控制

​ 设置一个 访问控制表

小结

4.2 文件系统

【问题】

① 什么是 文件系统 ？

​ 答：操作系统中 负责管理和存储文件信息的软件机构 称为文件管理系统，简称文件系统。

​ 文件系统由三部分组成：与文件管理有关的软件、被管理文件及实施文件管理所需的数据结构；

② 文件系统要完成哪些 功能 ？

​ 答：对于用户而言，文件系统最主要的功能是实现对文件的基本操作，让用户可以按名存储和查找文件，组织成合适的结构，并

应当具有基本的文件共享和文件保护功能。

​ 对于操作系统本身而言，文件系统还需要管理与磁盘的信息交换，完成文件逻辑结构和物理结构上的变换，组织文件在磁盘上的

存放，采取好的文件排放顺序和磁盘调度方法以提升整个系统的性能。

【补充】

​ 本节除了 外存空闲空间管理，其他都是2022年统考大纲的新增考点，基本都是概念知识点（多看几遍）；

4.2.1 文件系统的层次结构

​ 王道书中的图与王道视频不同，参考教材不同，不影响学习；

小结

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4.2.2 文件系统的全局结构 - 布局

1. 物理格式化

​ ==低级格式化：==划分扇区、检测坏扇区、用备用扇区替换坏扇区；

​ 当要访问某一块坏扇区时，会使用备用扇区，默默完成替换工作；

2. 逻辑格式化

​ ==高级格式化：==磁盘分区；

​ 每个区的大小、地址范围等信息，会使用 分区表 来记录；

​ 在每个区里可以建立各自独立的文件系统 ，例如在C盘里建立UNIZX文件系统；

主引导记录 MBR

​ 位于磁盘的 0 号扇区，用来引导计算机。MDR 后面是 分区表，记录各分区的起始、结束地址；

​ 表中的一个分区被标记为 活动分区 ，启动计算机时，BIOS 读入并执行 MBR ；

​ MBR 会确认活动分区，读入它的第一块 (引导块)；

UNIX 文件系统

• 引导块：负责开机时初始化操作系统；
• 超级块：包含文件系统的所有关键信息，可以迅速找到磁盘分区里所有的空闲块；
• 位示图 (磁盘空间管理)：可以迅速判断某一个特点的盘块是否空闲；
• i 结点：索引结点，连续存放，每个文件对应一个结点，可以把 i 结点区看成一个大数组；
• 根目录：完成逻辑格式化之后，根目录就会被建立起来；

3. 文件系统在内存中的结构

• 安装表：每个已安装文件系统分区的有关信息；
• 目录结构的缓存：最近访问的目录；
• 系统打开文件表：内存中只有一张；
• 进程打开文件表：每个进程一张，在PCB中；

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4.2.3 外存空闲空间管理

1. 存储空间的划分与初始化

• 文件卷（C盘、D盘）；
• 目录区（FCB、磁盘空间管理信息）；
• 文件区（文件数据）

2. 几种管理方式

(1) 空闲表法

​ 设置了一个空闲盘块表，要搞清楚三个点：

• 空闲盘块表如何记录信息 (初始块号，长度) ；
• 如何分配磁盘块 (连续分配方式) ；
• 如何回收磁盘块 (注意合并问题) ；

(2) 空闲链表法

① 空闲盘块链

• 分配从链头，回收进链尾；
• 适用于 离散分配 ；

② 空闲盘区链

• 分配从链头开始检索 (首次适应、**适应算法)；
• 回收， 与其它空闲合并 或 挂到链尾；
• 连续、离散分配 都适应；

(3) 位式图法

​ 连续、离散分配 都适应；

(4) 成组链接法

​ 每个分组的盘块数量都是 有上限 的，下图举的例子中，最后一组的磁盘块 比 倒二组 的数量少1

​ 分配一个空闲块的情况

​ 分配100个空闲块的情况

​ 回收未满的情况

​ 回收已满的情况

小结

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4.2.4 虚拟文件系统和文件系统挂载

1. 虚拟文件系统

​ 下图普通的文件系统，不同的外部存储设备，它的文件系统可能是不相同的，对于同一个操作的函数方法定义也许也各不相同；

​ 鉴于上图提到的问题，操作系统内核需要向上层的用户进程提供一个 统一标准的函数调用接口；

​ 这就是 虚拟文件系统 VFS 的一个特点；

​ UFS文件系统的目录项 和 FAT文件系统的目录项 格式不同，这就造成新的问题：

​ 虚拟文件系统打开不同的文件，得到的文件信息数据格式都不同；

​ 对于不同文件系统的数据结构，VFS 在每打开一个文件，就在主存建立一个 ==vnode，==用 统一的 数据结构表示文件；

​ 注意 vnode 和 inode 的区别；

​ ==函数功能指针：==指向该文件系统的功能函数列表；

​ 通过 函数功能指针 找到对应的函数功能，进而完成所要完成的操作；

2. 文件系统挂载

​ 将一个系统挂载到操作系统；例如：插入一个U盘，就把 U盘的文件系统 挂载到 OS的虚拟文件系统；

4.3 常见问题和易混淆知识点

1. 文件的物理分配方式的比较

​ 文件的三种物理分配方式的比较如下表：

访问第n条记录优点缺点

连续分配	需访问磁盘1次	顺序存取时速度快，文件定长时可根据文件起始地址及记录长度进行随机访问	文件存储要求连续的存储空间，回产生碎片，不利于文件的动态扩充
链接分配	需访问磁盘n次	可解决外存的碎片问题，提高外存空间的利用率，动态增长较方便	只能按照文件的指针链顺序访问，查找效率低，指针信息存放消耗外存空间
索引分配	m级需访问磁盘m+1次	可以随机访问，文件易于增删	索引表增加存储空间的开销，索引表的查找策略对文件系统效率影响较大

2. 文件打开的过程描述

​ ① 检索目录，要求打开的文件应该是已经创建的文件它应登记在文件目录中，否则会出错。

​ 在检索到指定文件后，就将其磁盘iNode复制到活动iNode表中。

​ ② 把参数 mode所给出的打开方式与活动inode 中在创建文件时所记录的文件访问权限相比较，如果合法，则此次打开操作成功。

​ ③ 当打开合法时，为文件分配用户打开文件表表项和系统打开文件表表项，并未后者设置初值，通过指针建立表项与活动iNode之间的联系，再把文件描述符fd返回给调用者。