【正文】 文件共享和保護(hù) 數(shù)據(jù)一致性控制 對于計(jì)算機(jī)處理和存放的大量信息 ,因內(nèi)存容量有限且無法長期保存 ,故信息總是以文件的形式存放在輔助存儲器上 ,當(dāng)需要的時候再將它們調(diào)入內(nèi)存。 1．?dāng)?shù)據(jù)項(xiàng) 在文件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)項(xiàng)是最低級的數(shù)據(jù)組織形式，可把它分成以下兩種類型 : (1)基本數(shù)據(jù)項(xiàng)。 在諸多記錄中，為了能惟一地標(biāo)識一個記錄，必須在一個記錄的各個數(shù)據(jù)項(xiàng)中，確定出一個或幾個數(shù)據(jù)項(xiàng)，把它們的集合稱為關(guān)鍵字 (key)。用戶利用文件名來訪問文件。我們把額外的項(xiàng)稱為文件屬性 (attribute)。 (3) 文件的物理位置 。 1) 按用途分類 根據(jù)文件的性質(zhì)和用途的不同，可分為 : （ 1）系統(tǒng)文件：由系統(tǒng)軟件構(gòu)成的文件。該類文件只允許被核準(zhǔn)的用戶調(diào)用執(zhí)行，既不允許讀，更不允許寫。為了便于統(tǒng)一管理，系統(tǒng)將所有的輸入 /輸出設(shè)備都視為文件，按文件方式提供給用戶使用。 2) 對對象操縱和管理的軟件集合 這是文件管理系統(tǒng)的核心部分。 文件操作 1．最基本的文件操作 (1) 創(chuàng)建文件。 （ 5） 根據(jù)參數(shù)中的位置、長度和目錄中的映射信息，確定塊號、塊數(shù)、塊內(nèi)位移與長度。 2．文件的“打開”和“關(guān)閉”操作 當(dāng)用戶要求對一個文件實(shí)施多次讀 /寫或其它操作時，每次都要從檢索目錄開始。 其目的是為用戶提供一種結(jié)構(gòu)清晰 、 使用簡便的邏輯組織 。 定長記錄文件的長度 = 記錄個數(shù) *記錄長度。這是上述兩種文件構(gòu)成方式的結(jié)合。文件中的記錄可以是任意順序的，因此，它可以按照各種不同的順序進(jìn)行排列。 索引文件 對于定長記錄文件 ， 如果要查找第 i個記錄 ，則第 i個記錄的首地址為： Ai=i L 對于可變長度記錄的文件，要查找其第 i個記錄時，須順序地查找每個記錄，從中獲得相應(yīng)記錄的長度 Li。組織直接文件的關(guān)鍵 ， 在于用什么方法進(jìn)行從記錄值到物理地址的轉(zhuǎn)換 。 缺點(diǎn) : (１ ) 要求有連接的存儲空間；外部碎片問題 (２ ) 必須事先知道文件的長度； 文件不能動態(tài)增長；預(yù)留空間； 不利于文件插入和刪除 鏈接分配 一個文件的信息 存放在若干不連續(xù)的物理塊 中，各塊之間通過指針鏈接。 6E O F11105E O F0123456789F A TF C B A4F C B B9MSDOS的文件物理結(jié)構(gòu) 2) 簇的基本概念 為了適應(yīng)磁盤容量不斷增大的需要，在進(jìn)行盤塊分配時，不再以盤塊而是以簇 (cluster)為基本單位。如果我們將FAT表的寬度增至 16位，最大表項(xiàng)數(shù)將增至 65536個，此時便能將一個磁盤分區(qū)分為65 536(216)個簇。通過簇來間接管理磁盤，可以不需要知道盤塊 (扇區(qū) )的大小。 4． NTFS 在 MFT表中，每個元數(shù)據(jù)將其所對應(yīng)文件的所有信息，包括文件的內(nèi)容等，都被組織在所對應(yīng)文件的一組屬性中。再通過鏈指針將各索引塊按序鏈接起來。 2) 一次間接地址 對于大、中型文件 ,可再利用索引結(jié)點(diǎn)中的地址項(xiàng)來提供一次間接地址。 ③ 文件邏輯結(jié)構(gòu) ，指示文件是流式文件還是記錄式文件、記錄數(shù)；文件是定長記錄還是變長記錄等。為此，在有的系統(tǒng)中，如 UNIX系統(tǒng)，便采用了把文件名與文件描述信息分開的辦法。 (7) 文件存取時間。 設(shè)置有分別指向空閑鏈表和散列隊(duì)列的指針。 缺點(diǎn)： 缺點(diǎn)是不太適合大量用戶和大量文件的大系統(tǒng)， 增加了系統(tǒng)開銷， ? 1) 目錄結(jié)構(gòu) ? 對于大型文件系統(tǒng)，通常采用三級或三級以上的目錄結(jié)構(gòu)，以提高對目錄的檢索速度和文件系統(tǒng)的性能。查找一個文件可從當(dāng)前目錄開始，使用部分路徑名 ? 當(dāng)前目錄可根據(jù)需要任意改變。 當(dāng)目錄 (文件 )不空時 ， 不能將其刪除 ， 而為了刪除一個非空目錄 ， 必須先刪除目錄中的所有文件 ， 使之先成為空目錄 ，后再予以刪除 。 ? 對于使用了通配符的文件名，系統(tǒng)此時便無法利用 Hash方法檢索目錄，因此，這時系統(tǒng)還是需要利用線性查找法查找目錄。 ? 系統(tǒng)在對用戶所釋放的存儲空間進(jìn)行回收時，也采取類似于內(nèi)存回收的方法，即要考慮回收區(qū)是否與空閑表中插入點(diǎn)的前區(qū)和后區(qū)相鄰接。 位示圖法 ? 用一串二進(jìn)制位反映磁盤空間中分配使用情況 , 每個物理塊對應(yīng)一位 , 1表示對應(yīng)的 物理 塊已分配， 0表示其對應(yīng)的塊未分配 ? 申請物理塊時，可以在位示圖中查找為 0的位，返回對應(yīng)物理塊號 ? 歸還時；將對應(yīng)位轉(zhuǎn)置 0 ? 描述能力強(qiáng)，適合各種物理結(jié)構(gòu) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 2 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 3 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 4 M 16 位示圖 2) 盤塊的分配 (1)順序掃描位示圖 ， 從中找出一個或一組其值為“ 0”的二進(jìn)制位 (“0”表示空閑時 )。成組鏈接法既克服二者的不足，又可集兩種方法的優(yōu)點(diǎn)于一身，是大型文件系統(tǒng)經(jīng)常采用的方法。 若該盤塊號已是棧底 ， 這是當(dāng)前棧中最后一個可分配的盤塊號 。 A A B B B B B C C C C C 根目錄 ? C C C 包含有共享文件的文件系統(tǒng) 基于索引結(jié)點(diǎn)的共享方式 如果在文件目錄中包含了文件的物理地址。 (2) 系統(tǒng)因素，即由于系統(tǒng)的某部分出現(xiàn)異常情況，而造成對數(shù)據(jù)的破壞或丟失。從內(nèi)存緩沖區(qū)向磁盤中寫入一個數(shù)據(jù)塊后，又立即從磁盤上讀出該數(shù)據(jù)塊，并與寫入緩沖區(qū)的內(nèi)容進(jìn)行比較。 在磁盤雙工時，文件服務(wù)器同時將數(shù)據(jù)寫到兩個處于不同控制器下的磁盤上，使兩者有完全相同的位像圖。 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 如果某臺服務(wù)器發(fā)生了故障，則由正常服務(wù)器向故障服務(wù)器的客戶機(jī)發(fā)出廣播信息，表明要進(jìn)行切換。 數(shù)據(jù)一致性控制 是指事務(wù)執(zhí)行的結(jié)果必須是使文件中保存的同一個數(shù)據(jù)相一致。 3. 恢復(fù)算法 (1) undo〈 Ti〉 ：該過程把所有被事務(wù) Ti修改過的 (2) redo〈 Ti〉 ：該過程能把所有被事務(wù) Ti修改過 如果系統(tǒng)發(fā)生故障，系統(tǒng)應(yīng)對以前所發(fā)生的事務(wù)進(jìn)行清理。人們把這種特性稱為順序性。 ? 為了提高運(yùn)行效率而又引入了另一種形式的鎖 —— 共享鎖。由于 OS經(jīng)常訪問這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而如果正在修改時，機(jī)器突然發(fā)生故障，此時也會使盤塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)產(chǎn)生不一致性現(xiàn)象。 盤塊號 計(jì)數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計(jì)數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計(jì)數(shù)器組 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 盤塊號 計(jì)數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計(jì)數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計(jì)數(shù)器組 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 (a) 正常情況盤塊號 (b) 丟失了盤塊盤塊號 盤塊號 計(jì)數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計(jì)數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計(jì)數(shù)器組 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 盤塊號 計(jì)數(shù)器組 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 空閑盤塊號計(jì)數(shù)器組 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 數(shù)據(jù)盤塊號計(jì)數(shù)器組 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 (c) 空閑盤塊號重復(fù)出現(xiàn)盤塊號 (d) 數(shù)據(jù)盤塊號重復(fù)出現(xiàn) 3. 鏈接數(shù)一致性檢查 配置一張計(jì)數(shù)器表 ， 為每個文件建立一個表項(xiàng) ，記錄該索引結(jié)點(diǎn)號的計(jì)數(shù)值 。 重復(fù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)一致性問題 1．重復(fù)文件的一致性 對于通常的 UNIX文件目錄，其每個目錄項(xiàng)中含有一個 ASCII碼的文件名和一個索引結(jié)點(diǎn)號，后者指向一個索引結(jié)點(diǎn)。 ? 利用互斥鎖實(shí)現(xiàn)“順序性” ? 利用互斥鎖和共享鎖實(shí)現(xiàn)順序性 1．利用互斥鎖實(shí)現(xiàn) “ 順序性 ” 實(shí)現(xiàn)順序性的一種最簡單的方法是，設(shè)置一種用于實(shí)現(xiàn)互斥的鎖，簡稱為互斥鎖 (Exclusive Lock)。 由于記錄的數(shù)據(jù)可能非常多 ，在事務(wù)記錄表中的記錄清理起來就非常費(fèi)時 。 事務(wù) 1. 事務(wù)的定義 事務(wù)是用于訪問和修改各種數(shù)據(jù)項(xiàng)的一個程序單位 。 這種模式的優(yōu)點(diǎn)是兩臺服務(wù)器都可用于處理任務(wù)，因而系統(tǒng)效率較高。 主 機(jī) 磁盤 控制器 磁盤 控制器 通道 通道 磁盤驅(qū)動器 磁盤雙工示意圖 3．基于集群技術(shù)的容錯功能 所謂集群 ， 是指由一組互連的自主計(jì)算機(jī)組成統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ， 給人們的感覺是 ， 它們是一臺機(jī)器 。若重寫后兩者仍不一致， 重寫入熱修復(fù)重定向區(qū)，標(biāo)記壞盤塊。 磁盤容錯技術(shù) 為了確保文件系統(tǒng)的安全性 ， 可針對上述原因而采取以下措施： (1) 通過存取控制機(jī)制來防止由人為因素所造成的 (2) 通過磁盤容錯技術(shù)，來防止由磁盤部分的故障 (3) 通過“后備系統(tǒng)”來防止由自然因素所造成的不安全性。 解決辦法，將文件的物理地址和文件屬性等信息放在索引結(jié)點(diǎn)中，在文件目錄中，設(shè)文件名及指向索引結(jié)點(diǎn)的指針，另外在索引結(jié)點(diǎn)中增加鏈接計(jì)數(shù) count,表示共享的用戶數(shù)。 2. 空閑盤塊的分配與回收 在系統(tǒng)回收空閑盤塊時 。順便指出， N還兼作棧頂指針用。 假定找到的其值為 “ 0”的二進(jìn)制位 ， 位于位示的第 i行 、 第 j列 ， 則其相應(yīng)的盤塊號應(yīng)按下式計(jì)算： b=n(i1)+j 式中 ， n代表每行的位數(shù) 。根據(jù)構(gòu)成鏈所用基本元素的不同，可把鏈表分成兩種形式： 空閑盤塊鏈 空閑盤區(qū)鏈 2．空閑鏈表法 (1) 空閑盤塊鏈。 (2) 如果目錄項(xiàng)中的文件名與指定文件名相同， 則 (3) 如果在目錄表的相應(yīng)目錄項(xiàng)中的文件名與指定文件名不匹配，則表示發(fā)生了“沖突”，此時須將其 Hash值再加上一個常數(shù)，形成新的索引值，再重新查找。 (2) 可刪除非空目錄 。 3. 多級目錄結(jié)構(gòu) ? 優(yōu)點(diǎn)： 層次結(jié)構(gòu)清晰，便于管理和保護(hù)；有利于文件分類；解決重名問題；提高文件檢索速度；能進(jìn)行存取權(quán)限的控