免费智能真题库 > 历年试卷 > 软件设计师 > 2021年上半年 软件设计师 上午试卷 综合知识
  第18题      
  知识点:   文件存储空间的管理   磁盘   文件管理
  章/节:   计算机软件知识       

 
若计算机系统的字长为128位,磁盘的容量为2048GB,物理块的大小为8MB,假设文件管理系统采用位示图(bitmap)法记录该计算机系统磁盘的使用情况,那么位示图的大小需要( )个字。
 
 
  A.  1024    
 
  B.  2048
 
  C.  4096
 
  D.  8192
 
 
 

 
  第28题    2016年下半年  
   41%
某字长为32位的计算机的文件管理系统采用位示图(bitmap)记录磁盘的使用情况。若磁盘的容量为300GB,物理块的大小为1MB,那么位..
  第23题    2017年上半年  
   48%
某文件管理系统在磁盘上建立了位示图(bitmap) ,记录磁盘的使用情况。若计算机系统的字长为32 位,磁盘的容量为300GB ,物理块的..
  第26题    2013年下半年  
   33%
某文件管理系统采用位示图(bitmap)记录磁盘的使用情况。如果系统的字长为32位,磁盘物理块的大小为4MB,物理块依次编号为:0、1、..
   知识点讲解    
   · 文件存储空间的管理    · 磁盘    · 文件管理
 
       文件存储空间的管理
        外存空间管理的数据结构通常称为磁盘分配表。常用的空间管理方法有空闲区表、位示图、空闲块链和成组链接法4种。
        1)空闲区表
        将外存空间上一个连续未分配区域称为空闲区。操作系统为磁盘外存上所有空闲区建立一张空闲表,每个表项对应一个空闲区,空闲表中包含序号、空闲区的第一块号、空闲块的块数等信息。它适用于连续文件结构。
        2)位示图
        在外存上建立一张位示图,记录文件存储器的使用情况。每一位对应文件存储器上的一个物理块,取值0和1分别表示空闲和占用。这种方法的主要特点是位示图的大小由磁盘空间的大小(物理块总数)决定,位示图的描述能力强,适合各种物理结构。
        3)空闲块链
        每个空闲物理块中有指向下一个空闲物理块的指针,所有空闲物理块构成一个链表,链表的头指针放在文件存储器的特定位置上(如管理块中)。
        4)成组链接法
        在UNIX系统中,将空闲块分成若干组,每100个空闲块为一组,每组的第一个空闲块登记了下一组空闲块的物理盘块号和空闲块总数,假如一个组的第一个空闲块号等于0的话,就意味着该组是最后一组,即无下一组空闲块。
 
       磁盘
        在磁表面存储器中,磁盘的存取速度最快,且具有较大的存储容量,是目前广泛使用的外存储器。磁盘存储器由盘片、驱动器、控制器和接口组成。盘片的两面用来存储信息。驱动器用于驱动磁头(读/写头)沿盘面作径向运动以寻找目标磁道位置,驱动盘片以额定速率稳定旋转,通常是5400~15000r/min(Revolution Per Minute,RPM),并且控制数据的写入和读出。控制器接收主机发来的命令,将它转换成磁盘驱动器的控制命令,并实现主机和驱动器之间数据格式的转换及数据传送,以控制驱动器的读/写操作。一个控制器可以控制一台或多台驱动器。接口是主机和磁盘存储器之间的连接逻辑。
        磁盘存储器也称为硬盘存储器。硬盘存储器具有存储容量大,使用寿命长,存取速度较快的特点。硬盘存储器的硬件包括硬盘控制器(适配器)、硬盘驱动器以及连接电缆。硬盘控制器(Hard Disk Controller,HDC)对硬盘进行管理,并在主机和硬盘之间传送数据。硬盘控制器以适配卡的形式插在主板上或直接集成在主板上,然后通过电缆与硬盘驱动器相连。硬盘驱动器(Hard Disk Drive,HDD)中有盘片、磁头、主轴电机(盘片旋转驱动机构)、磁头定位机构、读/写电路和控制逻辑等。
        为了提高单台驱动器的存储容量,在硬盘驱动器内使用了多个盘片,它们被叠装在主轴上,构成一个盘组;每个盘片的两面都可用作记录面,所以一个硬盘的存储容量又称为盘组容量。
        硬盘的接口方式可以说是硬盘另一个非常重要的技术指标,这点从SCSI硬盘和IDE硬盘的巨大差价就能体现出来,接口方式直接决定硬盘的性能。现在最常见的接口有IDE(ATA)和SCSI两种,此外还有一些移动硬盘采用了PCMCIA或USB接口。
        .IDE(Integrated Drive Electronics):IDE接口最初由CDC、康柏和西部数据公司联合开发,由美国国家标准协会(ATA)制定标准,所以又称ATA接口。普通用户家里的硬盘几乎全是IDE接口的。IDE接口的硬盘可细分为ATA-1(IDE)、ATA-2(EIDE)、ATA-3(Fast ATA-2)、ATA-4(包括UItraATA、Ultra ATA/33、Ultra ATA/66)与Serial ATA(包括Ultra ATA/100及其他后续的接口类型)。基本IDE接口数据传输率为4.1Mb/s,传输方式有PIO和DMA两种,支持总线为ISA和EISA。后来为提高数据传输率、增加接口上能连接的设备数量、突破528MB限制及连接光驱的需要,又陆续开发了ATA-2、ATAPI和针对PCI总线的FAST-ATA、FAST-ATA2等标准,数据传输率达到了16.67MB/s。
        .小型计算机系统接口(Small Computer System Interface,SCSI):SCSI并不是专为硬盘设计的,实际上它是一种总线型接口。由于独立于系统总线工作,所以它的最大优势在于其系统占用率极低,但由于其昂贵的价格,这种接口的硬盘大多用于服务器等高端应用场合。
 
       文件管理
        文件系统是操作系统中负责存取和管理信息的模块,它用统一的方式管理用户和系统信息的存储、检索、更新、共享和保护,并为用户提供一整套方便有效的文件使用和操作方法。对于用户来说,可按自己的愿望并遵循文件系统的规则来定义文件信息的逻辑结构,由文件系统提供“按名存取”来实现对用户文件信息的存储和检索。可见,使用者在处理他的信息时,只需关心所执行的文件操作及文件的逻辑结构,而不必涉及存储结构。
               文件与文件系统
                      文件的基本概念
                      文件是由文件名字标识的一组相关信息的集合。文件名是字母或数字组成的字母数字串,它的格式和长度因系统而异。
                      组成文件的信息可以是各式各样的:一个源程序、一批数据、各类语言的编译程序都可以各自组成一个文件。文件可以按各种方法进行分类,如按用途可分成:系统文件、库文件和用户文件;按保护级别可分成:只读文件、读写文件和不保护文件;按信息流向可分成:输入文件、输出文件和输入输出文件等。
                      文件的命名
                      文件是一个抽象机制,它提供了一种把文件保存在磁盘上而且便于以后读取的方法,用户不必了解信息存储的方法、位置以及存储设备实际运作方式等细节。在这一抽象机制中最重要的是文件命名,当一个进程创建一个文件时必须给出文件名字,以后这个文件将独立于进程存在直到它被显式地删除;当其他进程要使用这一文件时必须显式地指出该文件名字;操作系统也将根据该文件名字对文件进行保护。
                      文件类型
                      在现代操作系统中,对于文件乃至设备的访问都是基于文件进行的,例如,打印一批数据就是向打印机设备文件写数据,从键盘接收一批数据就是从键盘设备文件读数据。操作系统一般支持以下几种不同类型的文件:
                      (1)普通文件:即前面所讨论的存储在外存储设备上的数据文件。
                      (2)目录文件:管理和实现文件系统的系统文件。
                      (3)块设备文件:用于磁盘、光盘或磁带等块设备的I/O。
                      (4)字符设备文件:用于终端、打印机等字符设备的I/O。
                      一般来说,普通文件包括ASCII文件或者二进制文件,ASCII文件由多行正文组成,在DOS、Windows等系统中每一行以回车换行结束,整个文件以CTRL+Z结束;在Unix等系统中每一行以换行结束,整个文件以CTRL+D结束。ASCII文件的最大优点是可以原样显示和打印,也可以用通常的文本编辑器进行编辑。另一种正规文件是二进制文件,它往往有一定的内部结构,组织成字节的流,如可执行文件是指令和数据的流,记录式文件是逻辑记录的流。
                      文件系统
                      对文件系统本身来说,必须采用特定的数据结构和有效算法,实现文件的逻辑结构到存储结构的映射,实现对文件存储空间和用户信息的管理,提供多种存取方法。
                      所以,文件系统面向用户的功能是:
                      (1)文件的按名存取。
                      (2)文件目录建立和维护。
                      (3)实现从逻辑文件到物理文件的转换。
                      (4)文件存储空间的分配和管理。
                      (5)提供合适的文件存取方法。
                      (6)实现文件的共享、保护和保密。
                      (7)提供一组可供用户使用的文件操作。
                      为了实现这些功能,操作系统必须考虑文件目录的建立和维护、存储空间的分配和回收、数据的保密和监护、监督用户存取和修改文件的权限、在不同存储介质上信息的表示方式、信息的编址方法、信息的存储次序、以及怎样检索用户信息等问题。
                      文件的存取
                      从用户使用观点来看,关心的是数据的逻辑结构,即记录及其逻辑关系,数据独立于物理环境;从系统实现观点来看,数据则被文件系统按照某种规则排列和存放到物理存储介质上。那么,输入的数据如何存储?处理的数据如何检索?数据的逻辑结构和数据物理结构之间怎样接口?谁来完成数据的成组和分解操作?这些都是存取方法的任务。存取方法是操作系统为用户程序提供的使用文件的技术和手段。
                      (1)顺序存取。
                      按记录顺序进行读/写操作的存取方法称为顺序存取。固定长记录的顺序存取是十分简单的。读操作总是读出下一次要读出的文件的下一个记录,同时,自动让文件记录读指针推进,以指向下一次要读出的记录位置。如果文件是可读可写的。再设置一个文件记录指针,它总指向下一次要写入记录的存放位置,执行写操作时,将一个记录写到文件未端。允许对这种文件进行前跳或后退N(整数)个记录的操作。顺序存取主要用于磁带文件,但也适用于磁盘上的顺序文件。
                      (2)直接存取。
                      很多应用场合要求以任意次序直接读写某个记录,例如,航空订票系统,把特定航班的所有信息用航班号作标识,存放在某物理块中,用户预订某航班时,需要直接将该航班的信息取出。直接存取方法便适合于这类应用,它通常用于磁盘文件。
                      (3)索引存取。
                      第三种类型的存取是基于索引文件的索引存取方法。由于文件中的记录不按它在文件中的位置,而按它的记录键来编址,所以,用户提供给操作系统记录键后就可查找到所需记录。通常记录按记录键的某种顺序存放,例如,按代表健的字母先后次序来排序。对于这种文件,除可采用按键存取外,也可以采用顺序存取或直接存取的方法。信息块的地址都可以通过查找记录键而换算出来。实际的系统中,大都采用多级索引,以加速记录查找过程。
               文件目录
                      文件目录的概念
                      文件系统怎样实现文件的“按名存取”?如何查找文件存储器中的指定文件?如何有效地管理用户文件和系统文件?文件目录便是用于这些操作的重要手段。文件系统的基本功能之一就是负责文件目录的建立、维护和检索,要求编排的目录便于查找、防止冲突,目录的检索方便迅速。
                      有了文件目录后,就可实现文件的“按名存取”。每一个文件在文件目录中登记一项。文件目录项一般应该包括以下内容:
                      (1)有关文件存取控制的信息。如文件名、用户名、授权者存取权限:文件类型和文件属性,如读写文件、执行文件、只读文件等。
                      (2)有关文件结构的信息。文件的逻辑结构,如记录类型、记录个数、记录长度、成组因子数等。文件的物理结构,如记录存放相对位置或文件第一块的物理块号,也可指出文件索引的所在位置。
                      (3)有关文件管理的信息。如文件建立日期、文件最近修改日期、访问日期、文件保留期限、记账信息等。
                      有了文件目录后,就可实现文件的“按名存取”。当用户要求存取某个文件时,系统查找目录项并比较文件名就可找到所寻文件的目录项。然后,通过目录项指出的文件名就可找到所寻文件的目录项,然后通过目录项指出文件的文件信息相对位置或文件信息首块物理位置等就能依次存取文件信息。
                      一级目录结构
                      如下图所示,最简单的文件目录是一级目录结构,在操作系统中构造一张线性表,与每个文件有关的属性占用一个目录项就成了一级目录结构。单用户微型机操作系统CP/M的软盘文件便采用这一结构,每个磁盘上设置一张一级文件目录表,不同磁盘驱动器上的文件目录互不相关。文件目录表由长度为32字节的目录项组成,目录项0称目录头,记录有关文件目录表的信息,其他每个目录项又称文件控制块。文件目录中列出了盘上全部文件的有关信息。CP/M操作系统中文件目录项包括:盘号、文件名、扩展名、文件范围、记录数、存放位置等。
                      
                      一级目录结构示意图
                      一级文件目录结构存在若干缺点:一是重名问题,它要求文件名和文件之间有一一对应关系,但要在多用户的系统中,由于都使用同一文件目录,一旦文件名用重,就会出现混淆而无法实现按名存取。如果人为地限制文件名命名规则,对用户来说又极不方便;二是难以实现文件共享,如果允许不同用户使用不同文件名来共享同一个文件,这在一级目录中是很难实现的,为了解决上述问题,操作系统往往采用二级目录结构,使得每个用户有各自独立的文件目录。
                      二级目录结构
                      在二级目录中,第一级为主文件目录,它用于管理所有用户文件目录,它的目录项登记了系统接受的用户的名字及该用户文件目录的地址。第二级为用户文件目录,它为该用户的每个文件保存一登记栏,其内容与一级目录的目录项相同。每一用户只允许查看自己的文件目录。下图是二级文件目录结构示意。当一个新用户作业进入系统执行时,系统为其在主文件目录中开辟一个区域的地址填入主文件目录中的该用户名所在项。当用户需要访问某个文件时系统根据用户名从主文件目录中找出该用户的文件目录的物理位置,其余的工作与一级文件目录类似。
                      
                      二级目录结构示意图
                      采用二级目录管理文件时,因为任何文件的存取都通过主文件目录,于是可以检查访问文件者的存取权限,避免一个用户未经授权就存取另一个用户的文件,使用户文件的私有性得到保证,实现了对文件的保密和保护。
                      树型目录结构
                      二级目录的推广形成了多级目录。每一级目录可以是下一级目录的说明,也可以是文件的说明,从而,形成了层次关系。多级目录结构通常采用树型结构,它是一棵倒立的有根的树,树根是根目录;从根向下,每一个树枝是一个子目录;而树叶是文件。树型多级目录有许多优点:较好地反映现实世界中具有层次关系的数据集合和较确切地反映系统内部文件的分支结构;不同文件可以重名,只要它们不在同一末端的子目录中,易于规定不同层次或子树中文件的不同存取权限,便于文件的保护、保密和共享等。
               文件的结构和组织
               文件的组织是指文件中信息的配置和构造方式,通常应该从文件的逻辑结构和组织及文件的物理结构和组织两方面加以考虑。文件的逻辑结构和组织是从用户观点出发,研究用户概念中的抽象的信息组织方式,这是用户能观察到的,可加以处理的数据集合。由于数据可独立于物理环境加以构造,所以称为逻辑结构。文件的物理结构和组织是指逻辑文件在物理存储空间中的存放方法和组织关系。这时,文件被看作物理文件,即相关物理块的集合。文件的存储结构涉及块的划分、记录的排列、索引的组织、信息的搜索等许多问题。
                      文件的逻辑结构
                      文件的逻辑结构分两种形式:一种是流式文件,另一种是记录式文件。
                      (1)流式文件。
                      流式文件指文件内的数据不再组成记录,只是依次的一串信息集合,也可以看成是只有一个记录的记录式文件。这种文件常常按长度来读取所需信息,也可以用插入的特殊字符作为分界。为了简化系统,大多数现代操作系统对用户仅仅提供流式文件,记录式文件往往由高级语言或简单的数据库管理系统提供。
                      (2)记录式文件。
                      记录式文件内包含若干逻辑记录,逻辑记录是文件中按信息在逻辑上的独立含意划分的一个信息单位,记录在文件中的排列可能有顺序关系,但除此以外,记录与记录之间不存在其他关系。在这一点上,文件有别于数据库。根据记录的长度可分为定长和不定长两类:定长记录(格式F)指一个记录式文件中所有的逻辑记录都具有相同的长度,同时所有数据项的相对位置也是固定的。定长记录由于处理方便、控制容易,在传统的数据处理中普遍采用。定长记录可以成组或不成组,成组时除最末一块外,每块中的逻辑记录数为一常数。
                      变长记录(格式V)指一个记录式文件中,逻辑记录的长度不相等,但每个逻辑记录的长度处理之前能预先确定。有两种情况会造成变长记录:包含一个或多个可变的长度的数据项;包含了可变数目的定长数据项。
                      文件的物理结构
                      文件系统往往根据存储设备类型、存取要求、记录使用频度和存储空间容量等因素提供若干种文件存储结构。用户看到的是逻辑文件,处理的是逻辑记录,按照逻辑文件形式去存储,检索和加工有关的文件信息,也就是说数据的逻辑结构和组织是面向应用程序的。然而,这种逻辑上的文件总得以不同方式保存到物理存储设备的存储介质上去,所以,文件的物理结构和组织是指逻辑文件在物理存储空间中存放方法和组织关系。
                      (1)顺序文件。
                      将一个文件中逻辑上连续的信息存放到存储介质的依次相邻的块上便形成顺序结构,这类文件叫顺序文件,又称连续文件。显然,这是一种逻辑记录顺序和物理记录顺序完全一致的文件,通常,记录按出现的次序被读出或修改。
                      顺序文件的基本优点是:顺序存取记录时速度较快。顺序文件的主要缺点是:建立文件前需要能预先确定文件长度,以便分配存储空间;修改、插入和增加文件记录有困难;对直接存储器作连续分配,会造成少量空闲块的浪费。
                      (2)连接文件。
                      连接结构的特点是使用连接字,又叫指针来表示文件中各个记录之间的关系。如下图所示,第一块文件信息的物理地址由文件目录给出,而每一块的连接字指出了文件的下一个物理块。通常,连接字内容为0时,表示文件至本块结束。这种文件叫连接文件,又称串联文件。
                      
                      连接文件结构示意图
                      指向其他数据的连接表示是计算机程序设计的一种重要手段,是表示复杂数据关系的一种重要方法,使用指针可以将文件的逻辑记录顺序与它所在存储空间联系起来。
                      (3)索引结构。
                      索引结构是实现非连续存储的另一种方法,适用于数据记录保存有随机存取存储设备上的文件。如下图所示,它使用了一张索引表,其中每个表目包含一个记录的键及其记录数据的存储地址,存储地址可以是记录的物理地址,也可以是记录的符号地址,这种类型的文件称为索引文件。通常,索引表的地址可由文件目录指出,查阅索引表先找到的相应记录键,然后获得数据存储地址。
                      
                      索引文件结构示意图
                      索引文件在文件存储器上分两个区:索引区和数据区。访问索引文件需两步操作:第一步查找文件索引,第二步以相应键登记项内容作为物理或符号地址而获得记录数据。这样,至少需要两次访问辅助存储器,但若文件索引已预先调入主存储器,那么就可减少一次内外存信息交换。
                      索引结构是连接结构的一种扩展,除了具备连接文件的优点外,还克服了它只能作顺序存取的缺点,具有直接读写任意一个记录的能力,便于文件的增加、删除和修改。索引文件的缺点是:增加了索引表的空间开销和查找时间,索引表的信息量甚至可能远远超过文件记录本身的信息量。
               文件的共享和保护
                      文件的保护
                      文件保护是指防止文件被破坏,它包括两个方面:一是防止系统崩溃所造成的文件破坏;二是防止其他用户的非法操作所造成的文件破坏。
                      为防止系统崩溃造成文件破坏,定时转储是一种经常采用的方法,系统的管理员每隔一段时间,或一日、或一周、或一月、或一个期间,把需要保护的文件保存到另一个介质上,以备数据破坏后恢复。如一个单位建立了信息系统,往往会准备多个磁带,以便数据库管理员每天下班前把数据库文件转储到磁带上,这样即使出现了数据库损坏,最多只会丢失一天的数据。由于需要备份的数据文件可能非常多,增量备份是必需的,为此操作系统专门为文件设置了档案属性,用以指明该文件是否被备份过。
                      至于要防止其他用户的非法操作所造成的文件破坏,这往往通过操作系统的安全性策略来实现,其基本思想是建立如下的三元组。
                      (用户、对象、存取权限)
                      其中:
                      (1)用户是指每一个操作系统使用者的标识。
                      (2)对象在操作系统中一般是文件,因为操作系统把对资源的统一到文件层次,如通过设备文件使用设备、通过socket关联文件使用进程通信等。
                      (3)存取权限定义了用户对文件的访问权,如读、写、删除、创建、执行等。一个安全性较高的系统权限划分得较多较细。
                      要实现这一机制必须建立一个如下图所示的存取控制矩阵,它包括两个维,一维列出所有用户名,另一维列出全部文件,矩阵元素的内容是一个用户对于一个文件的存取权限,如用户1对文件1有读权R,用户3对文件1既有读权R,又有写权W和执行权X。
                      
                      存取控制矩阵
                      文件的保密
                      文件保密的目的是防止文件被窃取。主要方法有设置密码和使用密码。
                      密码分成两种:文件密码是用户为每个文件规定一个密码,它可写在文件目录中并隐蔽起来,只有提供的密码与文件目录中的密码一致时,才能使用这个文件。另一种是终端密码,由系统分配或用户预先设定一个密码,仅当回答的密码相符时才能使用该终端。但是它有一个明显的缺点,当要回收某个用户的使用权时,必须更改密码,而更改后的新密码又必须通知其他的授权用户,这无疑是不方便的。
                      使用密码是一种更加有效的文件保密方法,它将文件中的信息翻译成密码形式,使用时再解密。在网络上进行数据传输时,为保证安全性,经常采用密码技术;进一步还可以对在网络上传输的数字或模拟信号采用脉码调制技术,进行硬加密。
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