操作系统 | 学习笔记 | 王道

4.2 目录

4.2.1 目录的基本概念

文件目录指FCB的有序集合，一个FCB就是一个文件的目录项。与文件管理系统和文件集合相关联的是文件目录，它包含有关文件的属性、位置和所有权等。

目录管理的基本要求：
- 从用户的角度看，目录在用户（应用程序）所需要的文件名和文件之间提供一种映射，所以目录管理要实现“按名存取"；
- 目录存取的效率直接影响到系统的性能，所以要提高对目录的检索速度；
- 在多用户系统中，应允许多个用户共享一个文件，因此目录还需要提供用于控制访问文件的信息。
- 此外，应允许不同用户对不同文件采用相同的名字，以便于用户按自己的习惯给文件命名，目录管理通过树形结构来解决和实现。

4.2.2 目录结构

单级目录结构

在整个文件系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项，不允许文件重名，如下图所示。

当访问一个文件时，先按文件名在该目录中查找到相应的FCB，经合法性检查后执行相应的操作。

当建立一个新文件时，必须先检索所有目录项，以确保没有“重名”的情况，然后在该目录中增设一项，把新文件的属性信息填入到该项中。

单级目录结构实现了“按名存取”，但是存在查找速度慢、文件不允许重名、不便于文件共享等缺点，而且对于多用户的操作系统显然是不适用的。
两级目录结构

将文件目录分成主文件目录（MFD）和用户文件目录（UFD）两级，不同用户的文件可以重名，但不能对文件分类。

主文件目录项记录用户名及相应用户文件目录所在的存储位置。

用户文件目录项记录该用户文件的FCB信息。

两级目录结构提高了检索的速度，解决了多用户之间的文件重名问题，文件系统可以在目录上实现访问限制。但是两级目录结构缺乏灵活性，不能对文件分类。
树形目录结构

不同目录下的文件可以重名，可以对文件进行分类，不方便共享。

根据“文件路径”找到目标文件。用户（或用户进程）要访问某个文件时要用文件路径名标识文件，文件路径名是个字符串。各级日录之间用“/”隔开。从根目录出发的路径称为绝对路径。

例如：自拍.jpg的绝对路径是“/照片/2015-08/自拍jpg”

系统根据绝对路径一层一层地找到下一级目录。刚开始从外存读入根目录的目录表；找到“照片”目录的存放位置后，从外存读入对应的目录表；再找到“2015-08”目录的存放位置，再从外存读入对应目录表；最后才找到文件“自拍Jpg”的存放位置。整个过程需要3次读磁盘I/O操作。

引入“当前目录”和“相对路径”后，磁盘I/O的次数减少了。这就提升了访问文件的效率。

从根目录出发是绝对路径；从当前目录出发是相对路径。

树形目录结构可以很方便地对文件进行分类，层次结构清晰，也能够更有效地进行文件的管理和保护。在树形目录中，不同性质、不同用户的文件，可以分别呈现在系统目录树的不同层次或不同子树中，很容易地赋予不同的存取权限。但是，在树形目录中查找一个文件，需要按路径名逐级访问中间节点，增加了磁盘访问次数，这无疑会影响查询速度。目前，大多数操作系统如UNIX、Linux和Windows系统都采用了树形文件目录。

4.无环图目录结构

4.2.3 目录的操作

搜索。当用户使用一个文件时，需要搜索目录，以找到该文件的对应目录项。
创建文件。当创建一个新文件时，需要在目录中增加一个目录项。
删除文件。当删除一个文件时，需要在目录中删除相应的目录项。
创建目录。在树形目录结构中，用户可创建自己的用户文件目录，并可再创建子目录。
删除目录。有两种方式：①不删除非空目录，删除时要先删除目录中的所有文件，并递归地删除子目录。②可删除非空目录，目录中的文件和子目录同时被删除。
移动目录。将文件或子目录在不同的父目录之间移动，文件的路径名也会随之改变。
显示目录。用户可以请求显示目录的内容，如显示该用户目录中的所有文件及属性。
修改目录。某些文件属性保存在目录中，因而这些属性的变化需要改变相应的目录项。

4.2.4 目录实现

目录实现有线性列表和哈希表两种方式，线性列表实现对应线性查找，哈希表的实现对应散列查找。

线性列表

最简单的目录实现方法是，采用文件名和数据块指针的线性列表。
- 当创建新文件时，必须首先搜索目录以确定没有同名的文件存在，然后在目录中增加一个新的目录项。
- 当删除文件时，则根据给定的文件名搜索目录，然后释放分配给它的空间。
- 当要
  
  重用目录项
  
  时有许多种方法：
  - 可以将目录项标记为不再使用，或将它加到空闲目录项的列表上，
  - 还可以将目录的最后一个目录项复制到空闲位置，并减少目录的长度。
采用链表结构可以减少删除文件的时间。

线性列表的优点在于实现简单，不过由于线性表的特殊性，查我比较费时。
哈希表

哈希表根据文件名得到一个值，并返回一个指向线性列表中元素的指针。
- 优点：查找非常迅速，插入和删除也较简单，
- 问题：需要一些措施来避免冲突（两个文件名称哈希到同一位置）。

为了减少I/O操作，把当前使用的文件目录复制到内存，以后要使用该文件时只需在内存中操作，因此降低了磁盘操作次数，提高了系统速度。

4.2.5 文件共享

文件共享不等于文件复制。

文件共享使多个用户共享同一个文件，系统中只需保留该文件的一个副本。

基于索引结点的共享方式（硬链接）

各个用户的目录项指向同一个索引结点，索引结点中需要链接计数count，用于表示链接到本索引结点上的用户目录项数。

某用户删除文件只是删除该用户的目录项，count–

只有count==0才能真正删除文件数据和索引结点。
利用符号链实现文件共享（软链接，eg快捷方式）

为使用户B能共享用户A的一个文件F,可以由系统创建一个LINK类型的新文件，也取名为F，并将该文件写入用户B的目录中，以实现用户B的目录与文件F的链接。

在一个Link型的文件中记录共享文件的存放路径（Windows快捷方式），操作系统根据路径一层层查找目录，最终找到共享文件。

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。

即使软链接指向的共享文件已被删除，Link型文件依然存在，只是通过Link型文件中的路径去查找共享文件会失败（找不到对应目录项）。

由于用软链接的方式访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O，因此用软链接访问的速度要比硬链接更慢。硬链接直接存数据块，不需要解析路径。