文件控制塊和文件目錄

1．文件控制塊

用戶對文件是“按名存取”，所以用戶首先要創建文件，為它命名。以後對該文件讀、寫以至最後删除它，都要用到文件名，為了便于對文件進行控制和管理，在文件系統内部，給每個文件唯一地設置一個文件控制塊，這種數據結構通常由下列信息項組成：

（1）文件名——符号文件名，如file5，mydata，m1.c等。

（2）文件類型——指明文件的屬性，是普通文件，還是目錄文件，特殊文件，是系統文件還是用戶文件等。

（3）位置——指針，它指向存放該文件的設備和該文件在設備上的位置，如哪台設備的哪些盤塊上。

（4）大小——當前文件的大小（以字節、字或塊為單位）和允許的最大值。

（5）保護信息——對文件讀、寫及執行等操作的控制權限标志。

（6）使用計數——表示當前有多少個進程在使用（打開了）該文件。

（7）時間——日期和進程标志，這個信息反映出文件有關創建、最後修改和最後使用等情況，可用于對文件實施保護和監控等。

操作系統利用這種結構對文件實施各種管理。例如，按名存取文件時，先要找到對應的文件控制塊，驗證權限。僅當存取合法時，才能取得存放文件信息的盤塊地址。

2．文件目錄

為了加快對文件的檢索，往往将文件控制塊集中在一起進行管理。這種文件控制塊的有序集合稱為文件目錄。文件控制塊就是其中的目錄項。由目錄項構成的文件稱為目錄文件。

文件目錄具有将文件名轉換成該文件在外存的物理位置的功能，它實現文件名與存放盤塊之間的映射，這是文件目錄所提供的最基本的功能。

MS-DOS系統的文件目錄:

在MS-DOS系統中，一個目錄項有16個字節長，其中包含文件名、擴展名、屬性、時間、日期、首塊号和文件大小。利用首塊号作為查找物理塊鍊接表的索引，按索引鍊向下查找，可以找到該文件所有的盤塊。圖5-12是MS-DOS目錄項示意圖。在MS-DOS中，一個目錄中可包含其他目錄，從而形成層次結構的文件系統。

圖5-12 MS-DOS目錄項示意圖

UNIX系統的文件目錄:

UNIX系統的目錄項非常簡單，它隻由文件名和I節點（Inode）組成，如圖5-13所示。有關文件的類型、大小、時間、文件主和磁盤塊等信息都包含在I節點中。UNIX系統中所有目錄文件都由這種目錄項組成。按照給定路徑名的層次結構，一級一級地向下找。由文件名找到對應的I節點号，再從I節點中找到文件的控制信息和盤塊号。

圖5-13 UNIX目錄項示意圖

在考慮一個具體的目錄結構時，必須注意對目錄所實行的操作。主要的目錄操作有如下幾種：

（1）查找。通過查找一個目錄結構，找到特定文件所對應的項，實現按名查找。

（2）建立文件。建立新文件，把相應控制塊加到目錄中去。

（3）删除文件。當一個文件不再需要時，把它從目錄中抹掉。

（4）列出目錄清單。顯示目錄内容和該清單中每個文件目錄項的值。

（5）備份。為了保證可靠性，需要定期保留文件系統。通常的辦法是把全部文件複制到磁盤上。這樣，在系統失效需要重新恢複運行時，能夠提供備份副本。目錄文件經常要存檔或轉儲。

（二）目錄結構

目錄的基本組織方式包含單級目錄、二級目錄、樹形目錄和非循環圖目錄。

1．單級目錄

最簡單的目錄結構就是單級目錄。在這種組織方式下，全部文件都登記在同一目錄中，如圖5-14所示。這種結構在實現和理解上都很容易。由圖5-14可見，每當創建一個新文件時，就在目錄表中找一個空目錄項，把新文件名、物理地址和其他屬性填入該目錄項中。在删除一個文件時，從目錄中找到該文件的目錄項，回收該文件占用的外存空間，然後清空其所占用的目錄項。

圖5-14 單級目錄結構

單級目錄結構的優點是簡單，能夠實現按名存取。但是，單級目錄結構有以下3個缺點：

（1）查找速度慢。當系統中存在大量文件或衆多用戶同時使用文件時，由于每個文件占一個目錄項，單級目錄中就擁有數目很大的目錄項。如果要從目錄中查找一個文件，就需花費較長時間才能找到。平均而言，找一個文件需要掃描半個目錄表。

（2）不允許重名。因為各個文件都在同一目錄中管轄，它們各自的名字應是唯一的。如果兩個用戶都為自己的文件起了同一名字（如fileA），就破壞了文件名唯一的規則。然而，用戶對文件命名完全是根據需要和個人習慣，無法由系統強行規定各用戶的命名範圍。這樣，在多個用戶（如學生）上機過程中，文件同名現象經常會發生。當出現同名時，系統就無法實現“辨認”工作，即使隻有一個用戶，随着大量文件的創建，也難于記住哪些名字已使用過，不能再使用了。

（3）不便于共享。因為各個用戶對同一文件可能用不同的名稱，而單級目錄卻要求所有用戶用同一名字來訪問同一個文件。

2．二級目錄

單級目錄的主要缺點是無法解決多個用戶間文件“重名”的問題。标準的解決辦法是為每個用戶單獨建立一個目錄，各自管轄自己下屬的文件。在大型系統中，用戶目錄是邏輯結構，它們在邏輯上分開，而在物理上全部文件都可放在同一設備上。

圖5-15為二級目錄結構。每個用戶有自己的用戶文件目錄（UFD），用戶文件目錄都有同樣的結構，其中隻列出每個用戶的文件。在主文件目錄（MFD）中記載各個用戶的名稱，當用戶作業開始或用戶登錄時，需要檢索主文件目錄，找到唯一的用戶名（或用戶編号），再按項中指針的指向找到對應的用戶目錄。用戶使用特定文件時，隻需在自己的用戶目錄中檢索，與其他用戶目錄無關。從而使不同用戶能夠使用相同的文件名，隻要單獨的用戶目錄中所有文件不重名即可。建立或删除文件也僅限于一個用戶目錄。

圖5-15 二級目錄結構

優點：二級目錄結構基本上解決了單級目錄存在的問題，使得不同用戶可有相同的文件名；提高了檢索目錄的速度；不同用戶可用不同的文件名訪問系統中同一文件。

缺點：這種結構能夠把一個用戶與其他用戶有效地隔開，當各個用戶之間毫無聯系時，它是優點；當多個用戶要對某些盤區共同操作和共享文件時，它就是缺點。就是說，這種結構仍不利于文件共享。

3．樹形目錄

可以把二級目錄自然推廣成多級目錄。在這種結構中，每一級目錄中可以包含文件，也可以包含下一級目錄。從根目錄開始，一層一層地擴展下去，形成一個樹形層次結構，如圖5-16所示。

圖5-16 樹形目錄結構

每個目錄的直接上一級目錄稱作該目錄的父目錄，而它的直接下一級目錄稱作子目錄。除根目錄外，每個目錄都有父目錄。這樣，用戶創建自己的子目錄和相應的文件就很方便。在樹形結構文件系統中，隻有一個根目錄。系統中的每一個文件（包括目錄文件本身）都有唯一的路徑名，它是從根目錄出發、經由所需子目錄、最終到達指定文件的路徑分量名的序列。

在這種結構中，末端一般是普通的數據文件（圖中用圓圈表示），而路徑的中間節點是目錄文件（用方框表示）。在樹形目錄結構中，從根目錄到末端的數據文件之間隻有一條唯一的路徑。這樣利用路徑名就可唯一地表示一個文件。路徑名有絕對路徑名和相對路徑名兩種表示形式。

優點：在這種目錄結構下，文件的層次和隸屬關系很清晰，便于實現不同級别的存取保護和文件系統的動态裝卸。

缺點：在上述純樹形目錄結構中，隻能在用戶級對文件進行臨時共享。就是說，文件主創建一個文件并指定對其共享權限後，有權共享的用戶可以利用相同的路徑名對文件實施限定操作（如讀、寫、執行等）。當文件主删除該文件後，其他用戶就無法再使用該文件了。當然，其他用戶可以使用copy命令把共享文件複制到自己的目錄下面，但這樣做不符合共享的本義。它既占用額外的存儲空間，又花費I/O時間。

4．非循環圖目錄

樹形目錄結構的自然推廣就是非循環圖目錄結構。它允許一個文件或目錄在多個父目錄中占有項目，但并不構成環路，如圖5-17所示。在MULTICS和UNIX系統中，這種結構方式叫做鍊接（Link）。由圖5-17看出，對文件共享是通過兩種鍊接方式實現的：一種是允許目錄項鍊接到任一表示文件目錄的節點上，另一種是隻允許鍊接到表示普通文件的葉節點上。

圖5-17 非循環圖目錄結構

第1種方式表示可共享被鍊接的目錄及其各子目錄所包含的全部文件。例如dict鍊接spell的子目錄words，這樣words目錄中所包含的3個文件（list1、radc和w7）都為dict所共享。就是說，可以通過兩條不同的路徑訪問上述3個文件。在這種結構中，可把所有共享的文件放在一個目錄中，所有共享這些文件的用戶可以建立自己的子目錄，并且鍊接共享目錄。這樣做的好處是便于共享，但問題是限制太少，對控制和維護造成困難，甚至因為使用不當而造成環路鍊接，産生目錄管理混亂。

UNIX系統基本上采取第2種鍊接方式，即隻允許對單個普通文件鍊接。從而通過幾條路徑來訪問同一文件，即一個文件可以有幾個“别名”。如/spell/count和/dict/count表示同一文件的兩個路徑名。這種方式雖限制了共享範圍，但更可靠，且易于管理。

應該指出，一般常說UNIX文件系統是樹形結構的，嚴格地說，是帶鍊接的樹形結構，也就是上述的非循環圖結構，而不是純樹形結構。

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