【操作系统】四、文件管理：1.文件系统基础（文件属性、文件逻辑结构、文件物理结构、文件存储管理、文件目录、基本操作、文件共享、文件保护）

文件管理

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文件管理
八、文件系统基础
- 1.文件的属性
- 2.文件的==逻辑==结构
- - 2.1顺序文件
  - 2.2索引文件
  - 2.3索引顺序文件
  - 2.4多级索引顺序文件
- 3.目录文件
- - ❗3.1文件控制块FCB
  - - 3.1.1对目录进行的操作
  - 3.2目录结构
  - - 3.2.1单级目录结构
    - 3.2.2两级目录结构
    - 3.2.3多级目录结构（树形目录结构）
    - 3.2.4有/无环图目录结构
  - ❗3.3索引结点
  - 3.4目录检索
- 4.文件的==物理==结构
- - 4.1文件块、磁盘块
  - 4.2物理结构（分配方式）
  - - 4.2.1连续分配
    - 4.2.2链接分配
    - - 1）隐式链接
      - 2）显式链接
    - ❗4.2.3索引分配
    - - 1）链接方案
      - 2）多层索引
      - ❗3）混合索引
- 5.扩展：C语言文件操作
- - 5.1无结构文件（流式文件）
  - 5.2有结构文件（记录式文件）
- 6.文件==存储空间==管理
- - 6.1存储空间的划分与初始化
  - 6.2空闲表法
  - 6.3空闲链表法
  - - 6.3.1空闲盘块链
    - 6.3.2空闲盘区链
  - ❗6.4位示图法
  - 6.5成组链接法
- 7.文件的基本操作
- 8.文件共享
- - 8.1基于索引结点的共享方式（硬链接）
  - 8.2基于符号链的共享方式（软链接）
- 9.文件保护
- - 9.1口令保护
  - 9.2加密保护
  - 9.3访问控制
- 10.文件系统的层次结构

八、文件系统基础

文件：就是一组有意义的信息/数据集合。

用户可以自己创建一层一层的目录，各层目录中存放相应的文件。系统中的各个文件就通过一层一层的目录合理有序的组织起来。

UNIX系统中，输入输出设备视为：特殊文件。

所谓的“目录”其实就是我们熟悉的“文件夹”。是一种特殊的有结构文件，由记录组成，称为：目录文件。

文件系统：

一个文件系统可以存放的文件的数量受限于文件控制块FCB的数量。

1.文件的属性

文件名：由创建文件的用户决定文件名，主要是为了方便用户找到文件，同一目录下不允许有重名文件。

标识符：一个系统内的各文件标识符唯一，对用户来说毫无可读性，因此标识符只是操作系统用于区分各个文件的一种内部名称。

类型：指明文件的类型。

位置：文件存放的路径（让用户使用）、在外存中的地址（操作系统使用，对用户不可见）。

除了上面信息外，还有：创建时间、上次修改时间、文件所有者信息。

保护信息：对文件进行保护的访问控制信息。

下面主要讨论的是文件的两个结构：

逻辑结构：就是指在用户看来，文件内部的数据应该是如何组织起来的。

物理结构：就是在操作系统看来，文件的数据是如何存放在外存中的。

2.文件的逻辑结构

逻辑结构：就是指在用户看来，文件内部的数据应该是如何组织起来的。

所以，文件的逻辑结构是为了方便用户才设计的。

分类：

无结构文件（如文本文件.txt）

由一些二进制或字符流组成，又称“流式文件”。
有结构文件（如数据库表）

由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”。

每条记录由若干数据项组成，并且有数据项是关键字（主键）。
- 根据各条记录的长度（占用的存储空间）是否相等，又可分为2种：
  - 定长记录
  - 可变长记录
- 顺序文件
- 索引文件
- 索引顺序文件

逻辑结构的功能：

文件按名存取（要和后面 “文件描述符” 作区分）；
文件目录组织管理；
把文件名转换为文件描述符or文件句柄；
进行存储保护。

2.1顺序文件

顺序文件：文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。

链式存储

无论是定长/可变长记录，都无法实现随机存取。每次只能从第一个记录开始依次往后查找。
顺序存储
- 可变长记录
  
  无法实现随机存取。每次只能从第一个记录开始依次往后查找。
- 定长记录（可实现随机存取）
  
  可实现随机存取。记录长度为L，则第i个记录存放的相对位置是i*L。
  - 串结构：记录之间的顺序与关键字无关。（通常按照记录存入的时间决定记录的顺序）。
    
    若采用串结构，无法快速找到某关键字对应的记录。
  - 顺序结构：记录之间的顺序按关键字顺序排列。
    
    若采用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录（如折半查找）。

【注意】一般来说，考试题目中所说的“顺序文件”指的是物理上顺序存储的顺序文件。之后的讲解中提到的顺序文件也默认如此。

缺点：增加/删除一个记录比较困难（如果是串结构则相对简单）。

2.2索引文件

对于可变长记录文件，要找到第i个记录，必须先顺序第查找前i -1个记录，但是很多应用场景中又必须使用可变长记录。如何解决这个问题？

建立一张索引表以加快文件检索速度。每条记录对应一个索引项。文件中的这些记录在物理上可以离散地存放。

索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第 i 个记录对应的索引项。

可将关键字作为索引号内容，若按关键字顺序排列，则还可以支持按照关键字折半查找。

每当要增加/删除一个记录时，需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度，因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合。

另外，可以用不同的数据项建立多个索引表。

比如：学生信息表中，可用关键字“学号”建立一张索引表。也可用“姓名”建立一张索引表。这样就可以根据“姓名”快速地检索文件了。

（Eg： SQL就支持根据某个数据项建立索引的功能）

缺点：每个记录对应一个索引表项，因此索引表可能会很大。

比如：文件的每个记录平均只占8B，而每个索引表项占32个字节，那么索引表都要比文件内容本身大4倍，这样对存储空间的利用率就太低了。

【考点】

文件系统为每个文件创建一张索引表，存放文件数据块的磁盘存放位置。
对索引文件进行存取时候，必须先查找索引表。

2.3索引顺序文件

索引顺序文件：是索引文件和顺序文件思想的结合。（先分组，再给分组进行索引）

索引顺序文件中，同样会为文件建立一张索引表，但不同的是——并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。

此时在进行检索的时候，只需要先索引检索目标在哪个分组，然后在分组中进行顺序查找。

2.4多级索引顺序文件

为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立多级索引表。

例如，对于一个含106个记录的文件，可先为该文件建立一张低级索引表，每100个记录为一组，故低级索引表中共有10000个表项（即10000个定长记录），再把这10000个定长记录分组，每组100个，为其建立顶级索引表，故顶级索引表中共有100个表项。

在这里插入图片描述

3.目录文件

用户可以自己创建一层一层的目录，各层目录中存放相应的文件。系统中的各个文件就通过一层一层的目录合理有序的组织起来。所谓的“目录”其实就是我们熟悉的“文件夹”。

目录：一种特殊的有结构文件，由记录组成。

目录文件存放的就是该目录下所有的子目录和数据文件。

❗3.1文件控制块FCB

文件控制块（FCB，File Control Block）：实现文件目录的关键数据结构。（可以类比进程的PCB）

如：一个文件夹下有一个文件夹、一个图片：

目录表	文件名	文件类型	存取权限	…	物理地址
FCB1	文件1	目录	读/写	…	外存25块号
FCB2	照片	PNG	只读	…	外存925块号

目录文件中的一条记录就是一个FCB。FCB的有序集合称为“文件目录”，一个FCB就是一个文件目录项。

FCB中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）。

【注意】最重要、最基本的还是文件名、文件存放的物理地址。

作用：FCB实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现“按名存取”。

创建一个新的文件，其实就是创建一个当前目录表下的FCB，也就是创建一个文件目录项。

目录项和FCB都是用于管理文件和目录的数据结构，但它们的作用不同。

目录项（Directory Control Block）是操作系统中用于管理目录的数据结构。每个目录都有一个目录项，它包含有关该目录的信息，例如目录名称、目录下文件的列表等。
通过目录项，用户可以浏览目录、查看目录下的文件列表，并对文件进行管理。

FCB（File Control Block）是操作系统中用于管理文件的数据结构。每个文件都有一个FCB，它包含有关该文件的信，例如文件名、文件类型、文件大小、文件位置等。
通过FCB，用户可以打开文件、读取文件、写入文件等操作。

总结：

文件目录项：
- 用于管理目录的数据结构，
- 目录项包含有关目录下文件的信息。
文件控制块FCB：
- 用于管理文件的数据结构，
- FCB包含有关文件本身的信息。

3.1.1对目录进行的操作

搜索：当用户要使用一个文件时，系统要根据文件名搜索目录，找到该文件对应的目录项。
创建文件：创建一个新文件时，需要在其所属的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。
显示目录：用户可以请求显示目录的内容，如显示该目录中的所有文件及相应属性。
修改目录：某些文件属性保存在目录中，因此这些属性变化时需要修改相应的目录项（如：文件重命名）。

3.2目录结构

3.2.1单级目录结构

早期操作系统并不支持多级目录，整个系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。

单级目录实现了“按名存取”，但是不允许文件重名。

缺点：单级目录结构不适用于多用户操作系统。

3.2.2两级目录结构

早期的多用户操作系统，采用两级目录结构。分为主文件目录（MFD，Master File Directory）和用户文件目录（UFD，User File Directory）。

可以看到在UFD中，存在不同用户的文件重名dome。

优点：两级目录结构允许不同用户的文件重名，也可以在目录上实现实现访问限制（检查此时登录的用户名是否匹配）。

缺点：两级目录结构依然缺乏灵活性，用户不能对自己的文件进行分类。

多级目录结构解决了文件命名冲突的问题。

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。

各级目录之间用/隔开。从根目录出发的路径称为绝对路径。

在这里插入图片描述

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；
“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。

很多时候，用户会连续访问同一目录内的多个文件，因此也可以设置一个当前目录。

例如，此时已经打开了 “照片” 的目录文件，也就是说，这张目录表已调入内存，那么可以把它设置为 “当前目录”。当用户想要访问某个文件时，可以使用从当前目录出发的“相对路径”。

如果 “照片” 是当前目录，那么 “/照片/2015-08/自拍.jpg” 的相对路径就是 “./2015-08/自拍.jpg”。

从当前路径出发，只需要查询内存中的 “照片” 目录表，即可知道 “2015-08” 目录表的存放位置，从外存调入该目录，即可知道 “自拍.jpg” 存放的位置了。

优点：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。

缺点：树形结构不便于实现文件的共享。
为此，提出了“无环图目录结构”。

3.2.4有/无环图目录结构

在这里插入图片描述

可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录（共享同一目录下的所有内容）。

因为一个文件现在被多个文件名指引，所以需要为每个共享结点设置一个共享计数器count，用于记录此时有多少个地方在共享该结点。用户提出删除结点的请求时，只是删除该用户的FCB、并使共享计数器减1（count–），并不会直接删除共享结点。

只有共享计数器减为0（count==0）时，才删除结点。

【注意】 共享文件不同于复制文件。在共享文件中，由于各用户指向的是同一个文件，因此只要其中一个用户修改了文件数据，那么所有用户都可以看到文件数据的变化。

❗3.3索引结点

索引结点：对文件控制块（FCB）的优化。

其实在查找各级目录的过程中只需要用到 “文件名” 这个信息，只有文件名匹配时，才需要读出文件的其他信息。因此可以考虑简化目录表来提升效率。

除了文件名之外的文件描述信息都放到“索引结点”。

在这里插入图片描述

假设一个FCB是64B，磁盘块的大小为1KB，则每个盘块中只能存放16个FCB。若一个文件目录中共有640个目录项，则共需要占用640/16=40个盘块。因此按照某文件名检索该目录，平均需要查询320个目录项，平均需要启动磁盘20次（每次磁盘I/O读入一块）。

若使用索引结点机制，文件名占14B，索引结点指针站2B，则每企盘块可存放64个目录项，那么按文件名检索目录平均只需要读入320/64 =5个磁盘块。显然，这将大大提升文件检索速度。

存放在外存中的索引结点称为“磁盘索引结点”，当索引结点放入内存后称为“内存索引结点”。

相比之下内存索引结点中需要增加一些信息（内存索引特有），比如：访问计数值（此时有几个进程正在访问该文件）、文件是否被修改等。

3.4目录检索

访问一个文件，操作系统需要通过路径找到目录项，实现这种操作的方式一般有两种：线性列表、哈希表。

线性表：线性查找：顺序检索法。
- 使用顺序检索法，只要路径名的一个分量名没有找到，就应停止查找。
- 查找到之后，得到的是文件的逻辑结构。
哈希表：散列查找：散列法。

散列法不适用于所有的目录结构，而且有冲突和溢出的缺点，解决的开销较大，因此通常更多采用顺序检索法。

4.文件的物理结构

物理结构：就是在操作系统看来，文件的数据是如何存放在外存中的。操作系统需要对磁盘块进行管理。（文件分配方式）

物理文件的组织方式是由操作系统决定的。

逻辑文件放到存储介质上，采用的组织形式和存储介质特性有关。

当磁带做文件存储介质时，文件组成只能是顺序文件。

对非空闲磁盘块的管理（存放了文件数据的磁盘块）
- “文件的物理结构/文件分配方式” 要探讨的问题
对空闲磁盘块的管理
- “6.文件存储空间管理” 要探讨的问题

文件的物理结构（文件分配方式）：

连续分配
1. 产生磁盘碎片；
2. 磁盘I/O次数最多；
3. 磁盘寻道时间短，文件随机访问效率高。
链接分配
- 隐式链接
- 显式链接
索引分配
- 链接方案
- 多层索引
- 混合索引

4.1文件块、磁盘块

在内存管理中，内存分页，进程的逻辑地址空间被分为一个一个页面。同样的，在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为了一个一个的文件“块”。磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。

内存与磁盘之间的数据交换（即读/写操作、磁盘I/O）都是以“块”为单位进行的。即每次读入一块，或每次写出一块。

于是文件的逻辑地址也可以表示为 （逻辑块号，块内地址） 的形式。

在这里插入图片描述

而操作系统要负责实现从逻地址到物理地址的映射。这个映射就是文件分配方式（文件的物理结构）。

4.2物理结构（分配方式）

【2013年408真题】连续结构是最快的。

4.2.1连续分配

连续分配：要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。

(逻辑块号，块内地址）→（物理块号，块内地址）。只需转换块号就行，块内地址保持不变。

用户给出要访问的逻辑块号，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）。物理块号 = 起始块号＋逻辑块号。

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优点：

可以直接算出逻辑块号对应的物理块号，因此连续分配支持顺序访问和直接访间（即随机访问）。
连续分配的文件在顺序读/写时速度最快。

读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。

缺点：

连续分配的文件不方便拓展。
存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片。

可以用紧凑来处理碎片，但是需要耗费很大的时间代价。

4.2.2链接分配

链接分配采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显式链接两种。

【注意】 考试题目中遇到未指明隐式/显式的“链接分配”，默认是隐式链接的链接分配。

1）隐式链接

用户给出要访问的逻辑块号 i，操作系统找到该文件对应的目录项（FCB）。从目录项中找到起始块号（即0号块），将0号逻辑块读入内存，由此知道1号逻辑块存放的物理块号，于是读入1号逻辑块，再找到2号逻辑块的存放位置…以此类推。

因此，读入 i 号逻辑块，总共需要 i+1 次磁盘l/O。

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缺点：

采用链式分配（隐式链接）方式的文件，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低。
指向下一个盘块的指针也需要耗费少量的存储空间。

优点：很方便文件拓展另外，所有的空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题，外存利用率高。

【技巧】优缺点正好和连续分配相反。

2）显式链接

把用于链接文件各物理块的指针显式地存放在一张表中。即文件分配表（FAT，File Allocation Table）。

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特点：采用链式分配（显式链接）方式的文件，支持顺序访问，也支持随机访问（想访问i号逻辑块时，并不需要依次访问之前的0~ i-1号逻辑块），由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。显然，显式链接也不会产生外部碎片，外存利用率高，也可以很方便地对文件进行拓展。

【说明】就是可以先查FAT，查FAT不需要I/O，所以快速顺序查到要访问的磁盘块后再I/O，约等于随机访问。

缺点：文件分配表的需要占用一定的存储空间。

❗4.2.3索引分配

索引分配：允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表――建立逻辑页面到物理页之间的映射关系）。

索引表存放的磁盘块称为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

【2022年408真题】一个索引节点号对应一个磁盘块号。如果索引节点号一样（共享文件），那么磁盘块号也一样。

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【对比】
显式链接的链式分配方式中，文件分配表FAT是一个磁盘对应一张。
而索引分配方式中，索引表是一个文件对应一张。

优点：支持随机访问。文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可）。

缺点：但是索引表需要占用一定的存储空间。

若每个磁盘块1KB，一个索引表项4B，则一个磁盘块只能存放256个索引项。如果一个文件的大小超过了256块，那么一个磁盘块是装不下文件的整张索引表的，如何解决这个问题？

有3个方案解决：

1）链接方案

链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么可以将多个索引块链接起来存放。

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假设磁盘块大小为1KB，一个索引表项占4B，则一个磁盘块只能存放256个索引项。

若一个文件大小为256*256KB =65,536 KB = 64MB
该文件共有256*256个块，也就对应256*256个索引项，也就需要256个索引块来存储，这些索引块用链接方案连起来。

若想要访问文件的最后一个逻辑块，就必须找到最后一个索引块（第256个索引块），而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前255个索引块。

这显然是很低效的。如何解决呢?

2）多层索引

多层索引：建立多层索引（原理类似于多级页表)。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。

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若某文件采用两层索引（一级间接），则该文件的最大长度可以到256*256*1KB = 65,536 KB = 64MB。

可根据逻辑块号算出应该查找索引表中的哪个表项。

如：要访问1026号逻辑块，则1026/256=4，1026%256 = 2

因此可以先将一级索引表调入内存，查询4号表项，将其对应的二级索引表调入内存，再查询二级索引表的2号表项即可知道1026号逻辑块存放的磁盘块号了。

访问目标数据块，需要3次磁盘I/O。

同理：若采用三层索引（二级间接），则文件的最大长度为256*256*256*1KB = 16GB。那么访问目标数据块，需要4次磁盘I/O。

【总结】采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块只需要K+1次读磁盘操作。

【注意】在UNIX中，文件的索引结构放在索引节点。

缺点：如果文件很小，但是因为分层索引，索引依然需要分多层进行多次I/O。所以有了混合索引。

❗3）混合索引

混合索引：多种索引分配方式的结合。例如，一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表)、还包含两级间接索引（指向两层索引表）。

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上图的顶级索引表那里，一级间接、二级间接就是索引节点。引出来的是磁盘块。要注意说法，因为磁盘块还可以根据能否继续往下引分为：索引块，没有索引能力了就是地址块。

在这里插入图片描述

【考点1】要会根据多层索引、混合索引的结构计算出文件的最大长度

Key：各级索引表最大不能超过一个块。

如：2010年408真题

【考点2】要能自己分析访问某个数据块所需要的读磁盘次数

Key： FCB中会存有指向顶级索引块的指针，因此可以根据FCB读入顶级索引块。每次读入下一级的索引块都需要一次读磁盘操作。

【注意】题目条件：顶级索引块是否已调入内存？

【考点3】存储空间，索引表中的索引项（块号、指针），如用4B来存放。那么也就是 4B（字节）=32bit（位），即可寻址2³²个存储块。

如：2012、2014年408真题大题

5.扩展：C语言文件操作

5.1无结构文件（流式文件）

FILE *fp = fopen( "test.txt", "w"); //打开文件
if( fp == NULL ){
	printf("打开文件失败!");
    exit(0);
}

//写入10个Hello world
for (int i=0; i<10; i++)
	fputs ("Hello world!", fp);
fclose(fp);		//关闭文件

如果没有创建文件，调用fopen会自动创建文件。

在逻辑结构中（用户来看），每个字符1B，都是连续存放的，如果要寻找第16个字符(编号从0开始)：

FILE*fp = fopen( "test.txt", "r");	//以"读"方式打开文件
if( fp == NULL ){
    puts("Fail to open file!");
    exit(0) ;
}

fseek(fp, 16，SEEK_SET);		//把文件的 读写指针 指向16
char c = fgetc(fp);			//从读写指针所指位置 之后 读出1个字符
printf("字符:%c", c);			//打印从文件读出的字符
fclose(fp);					//关闭文件

使用c语言库函数fseek，将文件读写指针指向位置n。

使用c语言库函数fgetc，从读写指针所指位置读出1B内容。

用户用逻辑地址访问又件，不关心在磁盘中是如何存储的。

fgetc底层使用了Read系统调用，操作系统将（逻辑块号，块内偏移量）转换为（物理块号，块内偏移量）。

5.2有结构文件（记录式文件）

c语言创建顺序文件：

typedef struct {
    int number;		//学号4B
    char name [30];	//姓名30B
    char major[30];	//专业30B
} Student_info;

//以"写"方式打开文件
FILE *fp = fopen("students.info", "w");
if(fp == NULL) {
	printf("打开文件失败!");
    exit(0);
}

Student_info student[N];	//用数组保存N个学生信息
for(int i=0; i<N; i++) {	//生成N个学生信息
    student[i].number=i;
    student[i].name[0]='?';
    student[i].major[0]='?';
}

//将N个学生的信息写入文件
fwrite(student, sizeof (Student_info), N, fp);
fclose(fp);

读出第五个同学的信息：

//以"读"方式打开文件
FILE *fp = fopen("students.info", "r");
if(fp == NULL) {
	printf("打开文件失败!");
    exit(0) ;
}

//文件读写指针指向编号为5的学生记录
fseek(fp, 5*sizeof(Student_info), SEEK_SET);
student_info stu;

//从文件读出1条记录，记录大小为sizeof(Student_info)
fread(&stu, sizeof( Student_info), 1, fp);
printf("学生编号:%d\n", stu.number) ;
fclose(fp);

6.文件存储空间管理

对外存空闲磁盘块的管理。

目的：提高存储空间的利用率。

【2019年408真题】可以用于文件系统，管理空闲磁盘块的数据结构有：位图、空闲磁盘链、文件分配表（FAT）。

6.1存储空间的划分与初始化

安装Windows操作系统的时候，一个必经步骤是――为磁盘分区（C:盘、D:盘、E:盘等）。

在这里插入图片描述

存储空间管理的方法：

6.2空闲表法

适用于“连续分配”。

在这里插入图片描述

如何分配磁盘块：与内存管理中的动态分区分配很类似，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：

回收区的前后都没有相邻空闲区；
回收区的前后都是空闲区；
- 把前后两个表项合二为一。
回收区前面是空闲区；
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。

6.3空闲链表法

空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链。
空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链。

在这里插入图片描述

6.3.1空闲盘块链

适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能要重复多次操作。

操作系统保存着链头、链尾指针。

如何分配：若某文件申请K个盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。

如何回收：回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。

6.3.2空闲盘区链

离散分配、连续分配都适用。为一个文件分配多个盘块时效率更高

操作系统保存着链头、链尾指针。

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，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。

❗6.4位示图法

连续分配、离散分配都适用。

位示图：每个二进制位对应一个盘块。在本例中，“0”代表盘块空闲，“1”代表盘块已分配。

位示图一般用连续的“字”来表示，如本例下图中一个字的字长是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。当然有的题目中也描述为（行号，列号）**。

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【考点】推出盘块号与 （字号，位号） 相互转换的公式。

注意题目条件：盘块号、字号、位号到底是从0开始还是从1开始如本例中盘块号、字号、位号从0开始，若n表示字长，则：
$\\ 则二进制盘块号 b= ni+j$
例如上图位号是0~15所以字长n是16位。

（0，1）是 16*0+1 = 1号盘块

b=13，则 i = 13/16 = 0，j = 13%16 = 13，所以（字号，位号）是（0，13）。

如何分配：若文件需要k个块，

顺序扫描位示图，找到K个相邻或者不相邻的“0”；
根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；
将相应位设置为“1”。

如何回收：

根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；
将相应二进制位设为“0”。

6.5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”，当系统启动时就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。

超级块：是文件系统中的一个数据结构，它包含了文件系统的全局信息，如文件系统的类型、大小、状态、空闲盘块的数量以及文件系统中的数据块和inode的分配情况等。超级块对于文件系统的正确运行至关重要，因为它提供了文件系统布局的必要信息。

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当文件系统被格式化时，超级块会被创建并初始化，其中包括初始化空闲盘块号栈。超级块会记录空闲盘块的总数以及空闲盘块号栈的起始位置。

空闲盘块号栈：这是一个用来管理空闲磁盘块的数据结构。在文件系统中，当文件被删除或者截断时，其占用的磁盘块会被释放，并返回到空闲盘块号栈中。当需要分配新的磁盘块时，文件系统可以从这个栈中获取空闲的磁盘块号。这样的管理方式可以提高磁盘空间分配的效率。

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【注意】 指向下一个分组块号的那个也算空闲块。

只有超级块显示是下一个组空闲块数，其余都是本身的空闲块数。

如何分配？

Eg:需要100个空闲块

①检查第一个分组（第一个“下一个分组”）的块数是否足够。100=100，是足够的。

②分配第一个分组中的100个空闲块。但是由于300号块内存放了再下一组的信息，因此300号块的数据需要复制到超级块中。

就是相当于超级块是链头，一个结点填满了之后，把原本这个结点指向下一个结点的数据放入上一个结点里。

当2号块被填满之后，把指向3的指针放到1：

变成：

7.文件的基本操作

【注意】系统调用都会导致CPU从用户态切换成核心态。

就是操作系统提供的功能：

创建文件（create系统调用）
- 分配外存空间，创建目录项。
删除文件（delete系统调用）
- 回收外存空间，删除目录项。
❗打开文件（open系统调用）
- open调用参数含有需要打开的文件的文件名。
- 将目录项中的信息复制到内存中的打开文件表中，并将打开文件表的索引号返回给用户。
  
  打开文件时并不会把文件数据直接读入内存。“索引号”也称“文件描述符”。
- 打开文件之后，对文件的操作不再需要每次都查询目录，可以根据内存中的打开文件表进行操作。
- 每个进程有自己的 打开文件表 ，系统中也有一张总的打开文件表。
  - 进程打开文件表中特有的属性：读写指针、访问权限（(只读?读写? )。
  - 系统打开文件表中特有的属性：打开计数器(有多少个进程打开了该文件)。
    
    系统打开文件表只在文件实体第一次被打开时才增加一个表目，后面进程再打开该文件，只需要调用系统打开文件表就可以了。
关闭文件（close系统调用）
- 将文件的控制信息从内存写回外存磁盘。（注意和写文件区分）
- 将进程打开文件表中的相应表项删除。
- 系统打开文件表的打开计数器减1，若打开计数器为0，则删除系统表的表项。
❗读文件（read系统调用）
- 根据读指针、读入数据量、内存位置将文件数据从外存磁盘读入内存。
- （2012年408真题）若文件数据不在内存，则该进程阻塞进入睡眠等待。
- “读/写文件”用“文件描述符”即可腾明文件，不再需要用到“文件名”。
写文件（write系统调用）
- 根据写指针、写出数据量、内存位置，将文件数据从内存写回外存磁盘。