【操作系统】文件的存储空间管理、基本操作，共享于与保护

1. 文件的存储空间管理

1. 存储空间的划分与初始化

2. 存储空间管理——空闲表法

如何分配磁盘块：与内存管理中的动态分区分配和类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可采用首次适应、最佳适应、最坏适应等算法来决定要为文件分配哪个区间。

如何回收磁盘块:与内存管理中的动态分区分配很类似，当回收某个存储区时需要有四种情况：①回收区的前后都没有相邻空闲区;②回收区的前后都是空闲区;③回收区前面是空闲区;④回收区后面是空闲区。总之，回收时需要注意表项的合并问题。

说明：空闲表法适应于“连续分配方式”。

2. 存储空间管理——空闲链表法

如何分配：若某文件申请K个盘块，则可以采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。

如何回收：若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，则回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。

3. 存储空间管理——位示图法

位示图：每个二进制位对应一个盘块。在本例中，“0”代表盘块空，“1”代表盘块已分配。位示图一般用连续的“字”来表示，如本例中一个字的字长是16位，字中的每一位对应一个盘块。因此可以用（字号，位号）对应一个盘块号。当然可以描述成（行号，列号）。

（字号，位号）=(i,j)的二进制位对应的盘块号b=ni+j。

b号盘块对应的字号=i=b/n取整，位号j=b%n取余。

注意：盘块号、字号、位号到底是从0开始还是从1开始，要注意区分。

如何分配：若文件需要K个块，①顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的“0”；②根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；③将相应位设置为“1”。

如何回收：①根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；②将相应二进制位设为“0”。

4. 存储空间管理——成组链接法

空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统，因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接法对磁盘空闲块进行管理。

文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。

2. 文件的基本操作

1. 创建文件

进行Create系统调用时，需要提供的几个主要参数:

1. 所需的外存空间大小(如:一个盘块，即1KB)
2. 文件存放路径(“D:/Demo”)
3. 文件名(这个地方默认为“新建文本文档.txt”)

操作系统在处理Create系统调用时，主要做了两件事:

1. 在外存中找到文件所需的空间(结合上小节学习的空闲链表法、位示图、成组链接法等管理策略，找到空闲空间)
2. 根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件(此处就是D:/Demo目录)，在目录中创建该文件对应的目录项。目录项中包含了文件名、文件在外存中的存放位置等信息。

2. 删除文件

进行Delete系统调用时，需要提供的几个主要参数:

1. 文件存放路径(“D:/Demo”)
2. 文件名(“test.txt" )

操作系统在处理Delete系统调用时，主要做了几件事:

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项。
2. 根据该目录项记录的文件在外存的存放位置、文件大小等信息，回收文件占用的磁盘块。(回收磁盘块时，根据空闲表法、空闲链表法、位图法等管理策略的不同，需要做不同的处理)
3. 从目录表中删除文件对应的目录项。

3. 打开文件

在很多操作系统中，在对文件进行操作之前，要求用户先使用open系统调用打开文件”，需要提供的几个主要参数:

1. 文件存放路径(“D:/Demo”)
2. 文件名(“test.txt" )
3. 要对文件的操作类型(如: r只读;rw读写等)

操作系统在处理(open系统调用时，主要做了几件事:

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项，并检查该用户是否有指定的操作权限。
2. 将目录项复制到内存中的“打开文件表”中。并将对应表目的编号返回给用户。之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件。

4. 关闭文件

进程使用完文件后，要“关闭文件”，操作系统在处理Close系统调用时，主要做了几件事：

1. 将进程的打开文件表相应表象删除。
2. 回收分配给该文件的内存空间等资源。
3. 系统打开文件表的打开计数器count减1，若count=0，则删除对应表项。

5. 读文件

进程使用read系统调用完成写操作。需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统重，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明要读入多少数据（如：读入1KB）、指明读入的数据要存放在内存中的什么位置。

操作系统在处理read系统调用时，会从读指针指向的外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中。

6. 写文件

进程使用write系统调用完成写操作，需要指明是哪个文件(在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可)，还需要指明要写出多少数据(如:写出1KB)、写回外存的数据放在内存中的什么位置。

操作系统在处理write系统调用时，会从用户指定的内存区域中，将指定大小的数据写回写指针指向的外存。

3. 文件共享

注意:多个用户共享同一个文件，意味着系统中只有“一份”文件数据。并且只要某个用户修改了该文件的数据，其他用户也可以看到文件数据的变化。

1. 基于索引结点的共享方式(硬链接)

索引结点中设置一个链接计数变量count，用于表示链接到本索引结点上的用户目录项数。

若count=2，说明此时有两个用户目录项链接到该索引结点上，或者说是有两个用户在共享此文件。

若某个用户决定“删除”该文件，则只是要把用户目录中与该文件对应的目录项删除，且索引结点的count值减1。

若count>0，说明还有别的用户要使用该文件，暂时不能把文件数据删除，否则会导致指针悬空。

当count=0时系统负责删除文件。

1. 基于符号链的共享方式(软链接)

当User3访问“ccc” 时，操作系统判断文件“ccc”属于Link类型文件，于是会根据其中记录的路径层层查找目录，最终找到User1的目录表中的“aaa”表项，于是就找到了文件1的索引结点。

4. 文件保护

1. 口令保护

为文件设置一个“口令”(如: abc112233) ，用户请求访问该文件时必须提供“口令”。

口令一般存放在文件对应的FCB或索引结点中。用户访问文件前需要先输 入“口令”，操作系统会将用户提供的口令与FCB中存储的口令进行对比，如果正确，则允许该用户访问文件。

优点:保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销也很小。

缺点:正确的“口令”存放在系统内部，不够安全。

2. 加密保护

使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。

例如：一个最简单的加密算法——异或加密。假设用于加密/解密的“密”为“01001”

优点:保密性强，不需要在系统中存储“密码”。

缺点:编码/译码，或者说加密/解密要花费一定时间。

3. 访问控制

在每个文件的FCB (或索引结点)中增加一个访问控制列表( Access-Control List, ACL)，该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。

5. 小结