一、文件和文件系统
文件管理: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。
1.基本概念
- 数据项:描述对象某种属性的字符集;是数据组织中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。
有结构:由相关记录组成
无结构:字符流的形式 - 属性:类型、长度、物理位置、创建时间
2.文件类型
不同的系统对文件的管理方式不同
大多用扩展名标志文件类型,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:只执行、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
3.文件系统模型
系统管理文件模型
4.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(名,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:“打开”与“关闭”:
文件读/写操作 = 检索 + 读/写。
每次读写前都要重复检索增大开销。所以为了方便对同一文件的多次读写,一次检索到文件后就在内存中记录其位置,避免重复检索。被记录下位置的文件就是“打开”文件;
不需要再操作文件时,通过“关闭”这个系统调用关闭文件——即从打开文件表上删除其路径信息即可。 - 其他操作:改名、改所属用户、改访问权限等属性的操作。
二、文件的逻辑结构
- 文件系统设计的关键要素:
如何构成一个文件,以及如何存储在外存。 - 文件结构:
文件的逻辑结构(file logical structure):按用户观点如何组织数据;又称文件组织(file organization)
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.文件逻辑结构的类型
- 有结构文件(记录式)
①定长记录
②变长记录
如何组织记录:
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。
(1)顺序文件
- 两种记录排列方式
串结构: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) :
读写指针 + 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) - 顺序文件的优缺点:
不方便随机存取某条记录,但适用批量存取的场合。
适合磁带等特殊介质。
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)。
(2)索引文件
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
- 折半检索过程举例:
给出用户关键字
检索索引表(设有n条记录,设一个索引表项占x字节),则索引表的x*n/2字节处记录着n/2号记录的地址
根据第2步的地址,读一条记录,若记录中关键字不匹配,再判断找第n/4还是第n/2+n/4条记录 - 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,每种能成为检索条件的域都配备一张索引表。 - 索引文件的优缺点
适用于变长记录,可提高检索速度,实现直接存取
索引表增加了存储开销
(3)索引顺序文件
既要方便,又要降低开销
本方式是最常见的一种逻辑文件形式。
将顺序文件的所有记录分组
还是建立索引表,但每个表项记录的是每组第1条记录的键值和地址。
组内记录仍按顺序方式检索和使用。
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。
(4)直接文件
给定键值(如学号)不需顺序检索直接得到记录的物理地址
用户对文件的操作由操作系统按文件结构分析执行
而操作归根到底要到外存中进行实质操作。