文件管理与 I/O 管理

本节导读

大纲的「文件管理」包括文件（基本概念、文件元数据和索引节点 inode、文件的操作、文件的保护、逻辑结构、物理结构）、目录（树形目录、目录的操作、硬链接和软链接）、文件系统（全局结构、外存空闲空间管理办法、虚拟文件系统、文件系统挂载）；「输入输出（I/O）管理」包括 I/O 管理基础、设备独立软件（缓冲区管理、设备分配与回收、SPOOLing、设备驱动程序接口）和外存管理（磁盘、固态硬盘）。

内容多而散，计算集中在四处：混合索引的文件大小与读盘次数、位示图换算、单双缓冲的时间、磁盘调度的移动距离。磁盘的结构与存取时间见第 14 节，中断与 DMA 方式见第 19 节。

文件与目录

文件控制块（FCB）记录文件的属性；UNIX 类系统把除文件名以外的属性放在索引节点 inode 里，目录项只剩「文件名 + inode 号」，目录变小，查找时读盘次数也就少了。打开文件（open）时，系统按路径逐级查目录，找到 inode 读入内存，在打开文件表里建立表项并返回文件描述符，之后的读写直接用描述符，不再查目录；关闭（close）时撤销表项。

文件和目录的操作：建立文件时，系统为它分配一个空闲的 inode（FCB），并在所在目录里添一个目录项，数据块可以等写入时再分配；删除文件时，先按路径找到并删去它的目录项，把 inode 的链接计数减 1，减到 0 且没有进程打开它时，才回收 inode 和全部数据块。读、写文件时，用 open 返回的文件描述符找到打开文件表项，取得 inode 和读写指针，把读写位置换算成逻辑块号，再按文件的物理结构找到磁盘块。目录本身也是一种文件，对目录的操作主要有：按文件名逐级搜索目录项、在目录中创建或删除目录项、列出目录内容、给文件改名，以及改变当前目录。

文件的逻辑结构是用户看到的组织形式（无结构的流式文件、由记录组成的记录式文件，如顺序、索引、索引顺序文件）；物理结构是文件在外存上的存放方式。文件保护常用访问控制表、口令或加密。

树形目录中，从根目录出发的路径是绝对路径，从当前目录出发的是相对路径。文件共享有两种链接：

比较项	硬链接	软链接（符号链接）
实现	新目录项直接指向同一个 inode，inode 的链接计数加 1	建一个新文件，内容是被链接文件的路径
删除原文件名	计数减 1，不为 0 时文件还在，仍可通过硬链接访问	路径失效，软链接无法访问
限制	一般不能跨文件系统、不能链接目录	可以跨文件系统

文件的物理结构

方式	做法	优缺点
连续分配	文件占用一组相邻的块，目录项记起始块号和长度	顺序和随机访问都快；有外部碎片，文件不易增长
隐式链接	每块末尾存放下一块的指针	没有外部碎片；只能顺序访问，读第 i 块要先读它前面的所有块
显式链接（FAT）	把各块的指针集中存放在文件分配表 FAT 中，FAT 常驻内存	查 FAT 不用读盘，可以较快地随机访问；FAT 要占内存
索引分配	每个文件有索引块，按逻辑块号记录物理块号	支持随机访问；索引块占空间，大文件要多级索引

混合索引（inode 采用）：若干个直接地址项直接指向数据块，再加一级间接、二级间接（有的还有三级间接）地址项。设块大小为 B、地址项占 a 字节，一个索引块能存 B / a 个地址；一级间接能管 B / a 个数据块，二级间接能管 (B / a) 的平方个。

文件系统与外存空闲空间管理

文件系统在外存上的布局一般有：引导块、超级块（记录块数、块大小、空闲块数等整体信息）、空闲空间管理信息、inode 区、根目录和数据区。在内存中有挂载表、目录缓存、系统打开文件表和进程打开文件表。虚拟文件系统（VFS）为各种具体文件系统提供统一的接口；挂载（mount）把一个文件系统接到目录树的某个目录（挂载点）上。

外存空闲空间的管理方法：

• 空闲表法：像动态分区那样记录每个空闲区的起始块和块数；
• 空闲链表法：把空闲块（或空闲区）链起来；
• 位示图法：每个块用一位表示，0 空闲、1 已分配（也有反过来约定的）。设每字 n 位、字号和位号都从 0 开始，块号 b 对应字号 b / n（取整）、位号 b mod n；
• 成组链接法：UNIX 采用，把空闲块分组，每组第一块记录下一组的块号和块数，适合大型文件系统。

I/O 管理

I/O 软件从上到下分四层：用户层 I/O 软件（库函数、系统调用接口）、设备独立软件（设备命名与保护、缓冲、设备分配、出错处理）、设备驱动程序（把抽象的 I/O 请求变成具体命令，如把逻辑块号换算成柱面、磁头、扇区）、中断处理程序。设备独立性指用户程序用逻辑设备名，不依赖具体的物理设备。

设备独立软件与驱动程序之间有统一的接口，即设备驱动程序接口：操作系统规定每类设备的驱动程序都提供同一组入口（如打开、关闭、读、写、控制），设备独立软件只通过这组入口调用驱动程序，再由驱动程序把请求翻译成对具体控制器的操作。这样，新增一种设备时，只要按这组接口编写并装入它的驱动程序，上层软件和用户程序都不必修改；驱动程序也按约定的方式向内核申请缓冲区、报告出错和 I/O 完成。

输入/输出应用程序接口按设备分为字符设备接口（如键盘，用 get、put）、块设备接口（如磁盘，按块读写、可随机访问）、网络设备接口（如套接字）。阻塞 I/O 在数据准备好之前让进程等待；非阻塞 I/O 立即返回，进程过一会儿再来查询。