文件
- 文件是操作系统中最为常见的对象
- 有名称的一组相关信息的集合
- 文件是信息的一种抽象机制，提供将信息保存在外存并方便读取的手段
文件结构
逻辑结构（用户视角）
- 流式文件（字节流）：文件由字节序列组成，无内部结构，如
.txt, .bin
- UNIX/Linux 默认采用流式文件，所有文件均视为无结构的字节流
- 记录式文件：文件由若干逻辑记录组成，每条记录有特定结构
- 如数据库文件，每条记录包含多个字段（学号、姓名、成绩等）
- 早期 OS（如 IBM OS/360）广泛使用，现代 OS 已较少直接在文件系统层支持
物理结构（存储设备上的组织方式）
- 连续结构：文件占用磁盘上连续的物理块
- 优点：顺序访问性能好（磁头移动少），直接访问易实现（通过偏移量计算块号）
- 缺点：需预知文件大小，易产生外部碎片，不利于文件增长
- 链接结构：文件的数据块通过指针链链接在一起
- 隐式链接：每个数据块含指向下一块的指针，只支持顺序访问
- 显式链接（FAT）：将所有链接指针集中存放在文件分配表（FAT）中，支持直接访问
- 优点：无外部碎片，易于动态增长
- 缺点：顺序访问慢（随机IO），指针占用存储空间
- 索引结构：为每个文件建立索引块，存放所有数据块的指针
- 优点：直接访问快，无外部碎片
- 缺点：索引块本身占用额外空间
- UNIX 采用混合索引（多级索引），兼顾小文件和大文件
访问方式
- 顺序访问：按字节/记录从前向后顺序读写
- 文件指针自动后移，如磁带式访问
- 适用于大多数文本文件、日志文件
- 直接访问（随机访问）：指定位置（字节偏移或记录号）直接读写
- 如数据库、索引文件
- 支持
lseek() 定位后读写
文件控制块（FCB）
- 为管理文件而设置的数据结构，保存文件的全部属性信息
- 包含以下主要字段：
- 文件名：用户可见的文件标识
- 文件类型：如普通文件、目录文件、特殊文件等
- 文件号（inode 号）：文件系统内部的唯一标识
- 文件长度：当前文件大小（字节数）
- 存储位置：文件数据在磁盘上的物理位置（块号指针）
- 访问权限：所有者、同组用户、其他用户的读/写/执行权限
- 时间戳：创建时间、最后修改时间、最后访问时间
- 链接计数：有多少个文件名指向该文件（硬链接计数）
- 在 UNIX 中，FCB 即为 inode（索引节点），但 inode 不包含文件名，文件名存放在目录文件中
文件目录结构
- 目录：以文件形式存在（目录文件），内容是一系列 FCB 或目录项的集合
- 目录的作用：实现”按名存取”，将文件名映射为文件的物理位置
单级目录
- 所有文件放在一个目录中，系统只有一张线性（或哈希）文件目录表
- 优点：简单，易于实现
- 缺点：名称冲突（不同用户不能使用相同文件名），不支持文件分组，线性搜索效率低
二级目录
- 分为主文件目录（MFD）和用户文件目录（UFD）
- MFD 记录各个用户的用户名和其 UFD 的位置
- 每个用户拥有自己的 UFD，只包含该用户的文件
- 优点：不同用户可使用相同文件名，支持多用户隔离
- 缺点：用户内部仍无法对文件分类组织，“路径”概念开始出现（如
/userA/file1）
树形目录
- 多级层次结构，支持文件分组
- 引入当前目录（工作目录）：用户当前所在的目录，简化路径表示
- 绝对路径：从根目录（
/）开始的完整路径
- 如
/home/user/docs/report.txt
- 相对路径：从当前目录开始的路径
- 如
./docs/report.txt 或 docs/report.txt
- 优点：层次清晰，支持文件分组，不同目录下可包含同名文件
- 缺点：共享文件需通过路径链接
无环图目录
- 在树形目录基础上增加共享链接，允许多个路径指向同一文件
- 支持文件共享（通过硬链接或符号链接实现）
- 需将 FCB 与文件内容分离：FCB 中存放文件物理位置，目录项中存放文件名和 FCB 指针
- 多个目录项可指向同一个 FCB，实现共享
- 注意：即使从某个目录中删除该文件，只要还有其他链接，文件内容就不应删除（引用计数机制）
文件存储空间管理
- 操作系统需要跟踪磁盘上空闲块，分配新块给文件，回收删除文件释放的块
空闲表法
- 系统维护一张空闲表，记录每个连续空闲区的起始块号和块数
- 适用于连续结构文件分配
空闲链表法
- 将所有空闲块链接成一个链表，分配时从链头取块，回收时挂回链尾
- 空闲盘块链：以数据块为单位链接
- 空闲盘区链：以连续空闲区为单位链接
位图法（Bit Map）
- 用一个二进制位（bit）对应一个物理块，0 表示空闲，1 表示已占用
- 优点：查找空闲块效率高（利用 CPU 位操作指令），占用空间小
- 缺点：位图需全部调入内存才能工作（大容量磁盘下位图较大）
- 现代文件系统（如 ext 系列）广泛采用位图管理
成组链接法（UNIX 系统）
- 将空闲块分组管理，每 50 个空闲块为一组
- 超级块（Super Block）：记录下一组空闲块的块号和块数
- 分配时从第一组中取块，组内块用完时读入下一组的超级块信息
- 回收时将释放的块加入第一组，第一组满时再写入超级块
- 优点：兼顾了空间利用率和分配效率，避免维护一个巨大的链表或位图
- 缺点：频繁的超级块更新操作可能影响性能