4.1 文件的基本概念、操作与逻辑结构

文件与文件属性，文件控制块 FCB 与索引结点 inode；文件的创建、删除、打开、关闭、读写，进程打开文件表与系统打开文件表；文件保护；文件的逻辑结构（流式文件，顺序、索引、索引顺序、散列文件）。

文件的基本概念

文件是以硬盘等外存为载体、存储在计算机上的信息集合，例如一份文档、一张图片、一个可执行程序。在用户看来，文件是按名存取的；操作系统中负责管理文件的部分称为文件系统。

从数据组织的角度看，文件由以下层次构成：

• 数据项：文件系统中最低级的数据组织形式，分为基本数据项（如学号）和组合数据项；
• 记录：一组相关数据项的集合，用于描述一个对象在某方面的属性（如一个学生的学号、姓名、成绩）；
• 文件：由创建者定义的、具有文件名的一组相关元素的集合，分为有结构文件（由若干记录组成）和无结构文件（字符流）。

文件的常见属性有：名称、类型、创建者、所有者、位置（指向设备和设备上文件的指针）、大小、保护信息（访问控制）、创建/修改/访问时间等。

文件控制块与索引结点

为了实现按名存取，操作系统为每个文件设置一个文件控制块（FCB），存放控制文件所需的各种信息：

• 基本信息：文件名、文件的物理位置、逻辑结构、物理结构等；
• 存取控制信息：文件主、核准用户和一般用户的存取权限；
• 使用信息：文件的建立时间、上次修改时间等。

FCB 的有序集合称为文件目录，一个 FCB 就是一个文件目录项。

查找文件时只需要用到文件名，但检索目录时要把整个 FCB 读入内存。为了减少读盘次数，UNIX 把文件名之外的描述信息单独存放在一个称为索引结点（inode）的数据结构中，目录项只保留文件名和索引结点号：

• 磁盘索引结点：存放在磁盘上，每个文件一个。包含文件主标识符、文件类型、存取权限、文件物理地址（如 UNIX 的 13 个地址项）、文件长度、链接计数、存取时间等。
• 内存索引结点：文件被打开时，把磁盘索引结点复制到内存中，并增加索引结点编号、状态（是否上锁、是否被修改）、访问计数、逻辑设备号、链接指针等。

文件的操作

打开与关闭

如果每次读写文件都按文件名检索目录，开销会很大。因此在第一次使用文件之前要先执行 open：操作系统根据文件名检索目录，把该文件的属性（包括物理位置）从外存复制到内存的打开文件表中，并把表目的编号——文件描述符——返回给用户。以后用户就通过文件描述符来操作文件，不再需要检索目录。

多个进程可能同时打开同一个文件，因此打开文件表分为两级：

• 进程打开文件表：每个进程一张，记录该进程对文件的使用信息，如读写指针、访问权限，以及指向系统表项的指针；
• 系统打开文件表：整个系统一张，记录与进程无关的信息，如 FCB 的副本、文件在外存中的位置、打开计数（有多少个进程打开了这个文件）。

文件保护

文件保护通过口令保护、加密保护和访问控制等方式实现：

• 口令保护：用户请求访问时必须提供口令。开销小，但口令存放在系统内部，不够安全；
• 加密保护：用密码对文件加密，访问时需要解密。保密性强，但加密和解密要耗费时间；
• 访问控制：根据用户的身份控制访问类型（读、写、执行、添加、删除、列表清单等）。最常用的方法是为每个文件附加一个访问控制列表（ACL），规定每个用户名及其允许的访问类型。为了精简列表，通常把用户分为拥有者、组和其他三类，例如 UNIX 中每类用户用 r、w、x 三位表示权限，共 9 位。

口令和加密都是防止文件被他人存取或窃取，并不能控制用户对文件的访问类型；访问控制则可以。

保护域与访问矩阵

更一般地，操作系统用访问矩阵描述「谁能对什么做什么」：

• 访问权：进程对某个对象（文件、设备等）执行操作的权利，记为（对象名，权集），如（F1，{R, W}）；
• 保护域：进程对一组对象的访问权的集合，进程只能在指定的域内执行操作；
• 访问矩阵：行代表域，列代表对象，矩阵项 access(i, j) 是域 Dᵢ 中的进程对对象 Oⱼ 拥有的访问权集合。

访问矩阵通常非常稀疏，实际存储时有两种做法：按列存放，为每个对象建立一张访问控制表（ACL），列出各个域对它的访问权；按行存放，为每个域建立一张访问权限表（capability list），列出该域对各个对象的访问权。

文件的逻辑结构

文件的逻辑结构是从用户角度看到的文件组织形式；物理结构（存储结构）是文件在外存上的存储组织形式，见下一节。

无结构文件（流式文件）

文件内的数据就是一串二进制流或字符流，以字节为单位，没有明显的结构，如源程序、可执行文件、库函数。对流式文件的访问通过读写指针指出下一个要访问的字节。

有结构文件（记录式文件）

由若干记录组成，记录可以是定长的或变长的：

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