【操作系统】文件管理（七）—— 文件系统的层次结构与基本操作

一、文件系统的层次结构

• 用户接口：文件系统需要向上层的用户提供一些简单易用的功能接口。这层就是用于处理用户发出的系统调用请求（Read、Write、Open、Close 等系统调用）。
• 文件目录系统：用户是通过文件路径来访问文件的，因此这一层需要根据用户给出的文件路径找到相应的FCB或索引结点。所有和目录、目录项相关的管理工作都在本层完成，如：管理活跃的文件目录表、管理打开文件表等。
• 存取控制模块：为了保证文件数据的安全，还需要验证用户是否有访问权限。这一层主要完成了文件保护相关功能。
• 逻辑文件系统与文件信息缓冲区：用户指明想要访问文件记录号，这一层需要将记录号转换为对应的逻辑地址。
• 物理文件系统：这一层需要把上一层提供的文件逻辑地址转换为实际的物理地址。
• 辅助分配模块：负责文件存储空间的管理，即负责分配和回收存储空间。
• 设备管理模块：直接与硬件交互，负责和硬件直接相关的一些管理工作。如：分配设备、分配设备缓冲区、磁盘调度、启动设备、释放设备等。

用一个例子来辅助记忆文件系统的层次结构：

假设某用户请求删除文件 “D:/工作目录/学生信息.xlsx” 的最后100条记录。

1. 用户需要通过操作系统提供的接口发出上述请求—— 用户接口；
2. 由于用户提供的是文件的存放路径，因此需要操作系统一层一层地查找目录，找到对应的目录项—— 文件目录系统；
3. 不同的用户对文件有不同的操作权限，因此为了保证安全，需要检查用户是否有访问权限—— 存取控制模块（存取控制验证层）；
4. 验证了用户的访问权限之后，需要把用户提供的“记录号”转变为对应的逻辑地址—— 逻辑文件系统与文件信息缓冲区；
5. 知道了目标记录对应的逻辑地址后，还需要转换成实际的物理地址 —— 物理文件系统；
6. 要删除这条记录，必定要对磁盘设备发出请求 —— 设备管理程序模块；
7. 删除这些记录后，会有一些盘块空闲，因此要将这些空闲盘块回收 —— 辅助分配模块。

二、文件的基本操作

1. 创建文件

进行 Create 系统调用时，需要提供的几个主要参数：

1. 所需的外存空间大小（如：一个盘块，即1KB）
2. 文件存放路径（“D:/Demo”）
3. 文件名（这个地方默认为“新建文本文档.txt”）
1
2
3

操作系统在处理 Create 系统调用时，主要做了两件事：

1. 在外存中找到文件所需的空间（结合上小节学习的空闲链表法、位示图、成组链接法等管理策略，找到空闲空间）
2. 根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件（此处就是 D:/Demo 目录），在目录中创建该文件对应的目录项。目录项中包含了文件名、文件在外存中的存放位置等信息。

2. 删除文件

进行 Delete 系统调用时，需要提供的几个主要参数：

1. 文件存放路径（“D:/Demo”）
2. 文件名（“test.txt”）
1
2

操作系统在处理 Delete 系统调用时，主要做了几件事：

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项。
2. 根据该目录项记录的文件在外存的存放位置、文件大小等信息，回收文件占用的磁盘块。（回收磁盘块时，根据空闲表法、空闲链表法、位图法等管理策略的不同，需要做不同的处理）。
3. 从目录表中删除文件对应的目录项。

3. 打开文件

在很多操作系统中，在对文件进行操作之前，要求用户先使用 open 系统调用“打开文件”，需要提供的几个主要参数：

1. 文件存放路径（“D:/Demo”）
2. 文件名（“test.txt”）
3. 要对文件的操作类型（如：r 只读；rw 读写等）
1
2
3

操作系统在处理 open 系统调用时，主要做了几件事：

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的的目录项，并检查该用户是否有指定的操作权限。
2. 将目录项复制到内存中的“打开文件表”中。并将对应表目的编号返回给用户。之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件。

4. 读文件

读文件：将文件数据读入内存，才能让CPU处理（双击后，
“记事本”应用程序通过操作系统提供的“读文件”功能，即 read 系统调用，将文件数据从外存读入内存，并显示在屏幕上）。

进程使用 read系统调用完成写操作。需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明要读入多少数据（如：读入 1KB）、指明读入的数据要放在内存中的什么位置。

操作系统在处理 read 系统调用时，会从读指针指向的外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中。

5. 写文件

“写文件”，将更改过的文件数据写回外存（我们在“记事本”应用程序中编辑文件内容，点击“保存”后，“记事本”应用程序通过操作系统提供的“写文件”功能，即 write 系统调用，将文件数据从内存写回外存）

进程使用 write 系统调用完成写操作，需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明要写出多少数据（如：写出 1KB）、写回外存的数据放在内存中的什么位置

操作系统在处理 write 系统调用时，会从用户指定的内存区域中，将指定大小的数据写回写指针指向的外存。

三、文件基本操作总结