（一）文件及其分類

1．文件

文件（File）是被命名的相關信息的集合體。它通常存放在外存（如磁盤、磁帶）上，可以作為一個獨立單位存放和實施相應的操作（如打開、關閉、讀、寫等）。例如用戶編寫的一個源程序、經編譯後生成的目标代碼程序、初始數據和運行結果等，均可以文件形式保存。所以，文件表示的對象相當廣泛。一般地，文件是由二進制代碼、字節、行或記錄組成的序列，它們由文件創建者或用戶定義。

文件中的信息由創建者定義。很多不同類型的信息都可存放在文件中，如源程序、目标程序、可執行程序、數值數據、文本、工資單、圖形圖像、錄音等。根據信息類型，文件具有一定的結構。如文本文件是一行一行（或頁）的字符序列；源文件是子程序和函數序列，它們又有自己的構造，如數據說明和後面的執行語句；目标文件是組成模塊的字節序列，系統鍊接程序知道這些模塊的作用；而可執行文件是由一系列代碼段組成的，裝入程序可把它們裝入内存，然後運行。

2．文件類型

為便于管理和控制文件，常把文件分成若幹類型。由于不同系統對文件的管理方式不同，因而對文件的分類方法也有很大差異。下面是常用的幾種文件分類方法。

· 按用途分類

（1）系統文件—— 由操作系統及其他系統程序的信息所組成的文件。這類文件對用戶不直接開放，隻能通過操作系統提供的系統調用為用戶服務。

（2）庫文件—— 由标準子程序及常用的應用程序組成的文件。這類文件允許用戶使用，但用戶不能修改它們。

（3）用戶文件—— 由用戶創建、管理的文件，如源程序、目标程序、原始數據、計算結果等。這類文件可由創建者（即文件主）或被授權者進行适當的讀、寫或其他操作。

· 文件中的數據形式分類

（1）源文件—— 從終端或輸入設備輸入的源程序和數據所構成的文件，它通常由ASCII碼或漢字組成。

（2）目标文件—— 源程序經過相應語言的編譯程序進行編譯後，尚未經過鍊接處理的目标代碼所形成的文件。它屬于二進制文件。

（3）可執行文件—— 經過編譯、鍊接之後所形成的可執行目标文件。

· 按存取權限分類

（1）隻讀文件—— 僅允許對其進行讀操作的文件，不允許寫操作。

（2）讀寫文件—— 允許文件主和被授權用戶對其進行讀或寫操作的文件。

（3）可執行文件—— 允許被授權用戶執行它，但通常不允許讀或寫。

· 按保存時間分類

（1）臨時文件—— 用戶在一次解題過程中建立的“中間文件”，它隻保存在磁盤上，當用戶退出系統時，它也随之撤消。

（2）永久文件—— 長期保存的有價值的文件，以備用戶經常使用。

· 在UNIX/Linux和MS-DOS系統中，按文件的内部構造和處理方式分類

在這些系統中文件類型主要有普通文件、目錄文件和特殊文件。

（1）普通文件—— 由表示程序、數據或文本的字符串構成，内部沒有固定的結構。這類文件包括一般用戶建立的源程序文件、數據文件、目标代碼文件，也包括各種系統文件（如操作系統本身的衆多代碼文件）和庫文件（如标準I/O文件和數學函數文件）。

（2）目錄文件—— 由下屬文件的目錄項構成的文件。它類似于人事管理方面的花名冊—— 本身不記錄個人的檔案材料，僅僅列出姓名和檔案分類編号。對目錄文件可進行讀、寫等操作。

（3）特殊文件—— 特指各種外部設備。為了便于統一管理，系統把所有I/O設備都作為文件對待，按文件格式提供用戶使用，如目錄查找、存取權限驗證等方面與普通文件相似，而在具體讀、寫操作上，要針對不同設備的特性進行相應處理。特殊文件分為字符特殊文件和塊特殊文件。前者是有關輸入/輸出的設備，如終端、打印機和網絡等；後者是存儲信息的設備，如硬盤、軟盤和磁帶等。

普通文件通常分為ASCII文件和二進制文件。ASCII文件由隻包含ASCII字符的正文行組成，每個正文行以回車符或換行符終止，各行的長度可以不同。ASCII文件又稱文本文件，常用來存儲資料、程序源代碼和文本數據。文本文件的最大特點是可以直接顯示和打印，可用普通文本編輯器進行編輯加工。

二進制文件所包含的每個字節可能有256種值。因此，對于表達信息來說，二進制文件是一種更為有效的方式，但它不能在終端上直接顯示出來。大家最熟悉的二進制文件恐怕就是可執行文件。

可執行文件與一般文本文件不同，都有内部結構。在UNIX/Linux系統中它有5個區，依次是文件頭、正文段、數據段、重定位區和符号表區。文件頭結構由幻數（标志可執行文件的特征），正文段長度，數據段長度，BSS段（Block Started by Symbol，存放未初始化的數據）長度，符号表長度，入口單元及各種标志組成。重定位時利用重定位區，而符号表用于調試程序，如圖5-1（a）所示。

存檔文件是二進制文件的另一示例。在UNIX/Linux系統中，它由編譯過、但未鍊接的庫過程（模塊）集合組成。每個存檔文件的結構是在其目标模塊之前有一個文件頭，這個文件頭由模塊名、創建日期、文件擁有者、保護代碼和文件長度等項組成。文件頭全是二進制數碼，如圖5-1（b）所示。

圖5-1 可執行文件和存檔文件的内部結構

所有操作系統都必須至少識别一種文件類型—— 它自己的可執行文件。有些操作系統可以識别多種文件類型。一般情況下，對文件進行操作時必須注意其類型，特别是不同操作系統所識别的文件類型是不一緻的。

3．文件命名

文件是抽象機制，提供在磁盤上存放信息和以後從中讀出的方法。用戶不必了解信息如何存放、存放在何處、磁盤如何實際工作等細節。抽象機制最重要的特性就是“按名”管理對象。用戶對文件也是“按名存取”的。

很多操作系統支持的文件名都由兩部分構成：文件名和擴展名。二者間用圓點分開，如prog.c。擴展名也稱為後綴，利用擴展名可以區分文件的屬性。表5-1給出了常見文件擴展名及其含義。

表5-1 常見文件擴展名及其含義

不同系統對文件的命名規則是不同的，但所有操作系統都允許由1～8個字母構成的字符串作為合法的文件名。數字和特殊字符也可出現在文件名中。有些文件系統區分文件名中的大小寫字母，如UNIX和Linux系統，而另外的文件系統則不加區分，如MS-DOS。Windows 95/98都采用MS-DOS文件系統，因而繼承了它的很多特性，包括文件名構成。Windows NT和Windows 2000支持MS-DOS文件系統，也繼承它的特性，當然它也有自己的文件系統。

（二）文件系統的功能

所謂文件系統，就是操作系統中負責操縱和管理文件的一整套機制，它實現文件的共享和保護，方便用戶“按名存取”。文件系統為用戶提供了存取簡便、格式統一、安全可靠的管理各種文件信息的方法。有了文件系統，用戶就可以用文件名對文件實施存取和相應管理，而不必去考慮其信息放在磁盤的哪個面、哪個道、哪個扇區上，也不必關心怎樣去啟動設備進行I/O等實現過程的細節。因而，文件系統提供了用戶與外存的界面。

一般說來，文件系統應具備以下功能：

（1）文件管理——能夠按照用戶要求創建一個新文件、删除一個舊文件，對指定的文件進行打開、關閉、讀、寫、執行等操作。

（2）目錄管理——為每個文件建立一個文件目錄項，若幹文件的目錄項構成一個目錄文件。根據用戶要求創建或删除目錄文件，對用戶指定的文件進行檢索和權限驗證、更改工作目錄等。

（3）文件存儲空間的管理——由文件系統對文件存儲空間進行統一管理，包括對文件存儲空間的分配與回收，并為文件的邏輯結構與它在外存（主要是磁盤）上的物理地址之間建立映射關系。

（4）文件的共享和保護——在系統控制下使一個用戶可供共享其他用戶的文件。另外，為防止對文件的未授權訪問或破壞，文件系統應提供可靠的保護和保密措施，如采用口令、存取權限以及文件加密等。為防止意外事故對文件信息的破壞，應有轉儲和恢複文件的能力。

（5）提供方便的接口——為用戶提供統一的文件存取方式，即用戶隻要用文件名就可對存儲介質上的信息進行相應操作，從而實現“按名存取”。操作系統應向用戶提供一個使用方便的接口，主要是有關文件操作的系統調用，供用戶編程時使用。

看待文件系統有不同的觀點，主要是用戶觀點（即外部使用觀點）和系統觀點（即内部設計觀點）。從用戶角度看，文件系統應該做到存取文件方便，信息存儲安全可靠，即能實現共享又可做到保密。而從系統角度看，它要實現對存放文件的存儲空間的組織、分配、信息的傳輸，并對已存信息進行檢索和保護等。

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