第八章 文件管理

8.1 文件的逻辑结构

类型	说明
有结构文件（记录式）	顺序文件、索引文件、索引顺序文件、直接/哈希文件
无结构文件（流式）	字节序列,无明确结构

索引顺序文件（ISAM）补充

• 按关键字顺序组织主文件，并建立分层索引加速检索
• 插入新记录常先进入溢出区，再定期重组主文件
• 兼顾顺序访问与按键检索，适合“读多改少”的场景

🎯 本章真题锚点与最短模板

• 高频题号（2009-2025）：2009Q30/Q31、2014Q29/Q46、2015Q29、2017Q26/Q30/Q31、2018Q46、2020Q23/Q24/Q31、2022Q46、2024Q26/Q29、2025Q27/Q30/Q31
• 优质例题：i-node含“12直接+1一级+1二级+1三级间接”，给块大小与指针大小，求最大文件长度。
• 最短解题模板：
  1. 每级可索引块数 = 块大小 / 指针大小。
  2. 总容量 = 直接块 + 一级 + 二级 + 三级，对应逐级乘方。
  3. 最终统一换算为KB/MB/GB并标明单位。

⚡ 秒杀版口令卡（10秒回忆）

• 口令：先算每级扇出，再逐级乘方。
• 口令：直接+一级+二级+三级，缺一项都丢分。
• 口令：硬链接同iNode，软链接存路径。

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8.2 文件目录

FCB（文件控制块）

包含：文件名、类型、大小、物理地址（起始块号）、创建/修改时间、存取控制信息等

索引节点（i-node）⭐

• 将FCB中除文件名外的信息提取出来形成索引节点
• 目录项仅含文件名+索引节点号
• 显著减小目录项大小→提高目录检索效率
• 磁盘索引节点：存放在磁盘上
• 内存索引节点：打开文件时调入内存，增加引用计数等字段

目录结构

结构	说明
单级目录	唯一目录,不允许重名
两级目录	MFD（主文件目录）+ UFD（用户文件目录）
树形目录	多级层次,用绝对路径/相对路径定位
无环图目录（DAG）	支持共享子目录/文件

目录检索

• 线性检索法：顺序查找
• Hash方法：用文件名哈希直接定位（需解决冲突）

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8.3 文件共享

方式	原理	优缺点
硬链接	不同目录项指向同一索引节点，count引用计数	删除只count-1,count=0才真正删除；目录通常禁建硬链接防环
软链接（符号链接）	创建一个LINK类型文件,存放被链接文件的路径名	额外I/O开销（需解析路径）,被删除后变悬空链接

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8.4 文件保护

访问矩阵

• 行=域(用户),列=对象(文件),元素=权限集合
• 太大难以存储→实际实现：

方式	原理	特点
ACL（访问控制列表）	按列存储,每个文件记录哪些用户有何权限	精简为owner/group/other三类
能力表	按行存储,每个用户记录可访问哪些文件	用户持有能力列表

特殊权限

• 复制权R'：能将权限复制给同一列其他域
• 所有权O：能授予/取消同一列其他域的权限
• 控制权：能修改同一行其他对象的权限

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8.5 Linux文件系统

VFS四个对象

1. superblock（超级块）：整个文件系统的信息
2. dentry（目录项）：路径中的一个分量
3. iNode（索引节点）：文件的元信息
4. file（文件对象）：进程已打开的文件

ext2文件系统

• 块组结构：超级块 + 组描述符 + 块位图 + iNode位图 + iNode表 + 数据块
• iNode 128B,含15个块指针i_block：
  • i_block[0-11]：12个直接块
  • i_block[12]：一次间接块
  • i_block[13]：二次间接块
  • i_block[14]：三次间接块

⚠️ 口径提示：此处是 ext2 的“12直接 + 1一级 + 1二级 + 1三级”；而经典UNIX教材常写“10直接 + 3级间接”，两者来源不同，不矛盾。

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8.6 文件操作与打开文件表（高频补强）

两级打开文件表

1. 系统打开文件表（全局）
   • 记录：文件元信息引用（如iNode指针）、打开方式、当前偏移量、引用计数等
2. 进程打开文件表（每进程）
   • 记录：该进程持有的文件描述符 fd 与系统打开文件表项的对应关系

关键关系：fd 本质是“进程打开文件表的索引”，再间接指向系统打开文件表。

open() 典型路径

1. 按路径检索目录项，定位目标文件iNode
2. 做权限检查与打开方式检查
3. 在系统打开文件表建立/复用表项（引用计数+1）
4. 在进程打开文件表分配一个空闲 fd 并返回

close() 典型路径

1. 根据 fd 找到进程打开文件表项并清除
2. 对应系统打开文件表项引用计数减1
3. 若引用计数为0，按需回写并释放相关内核对象

常考辨析

• 多个 fd 可指向同一系统打开文件表项（如 dup、fork 后继承）
• 若共享同一系统表项，文件偏移量通常联动变化；若分别 open，偏移量通常独立

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