软考知识点15：文件管理相关知识

## 简介

今天主要介绍一下IO管理软件和文件管理相关知识，因为IO管理软件这个知识点很小，所以在这里一并介绍。

文件管理相关的知识考点较为分散，一般都是概念理解型题目，注意理解即可，主要考点有：
1. 文件概念；
2. 树形结构（相对路径、绝对路径）；
3. 位示图；
4. 索引文件。

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## IO管理软件

IO管理软件是操作系统的重要组成部分，主要负责管理计算机系统中的输入输出设备。常见的考点包括IO管理的基本概念、分层结构及每个层次的具体作用。以下是IO管理软件的分层结构及每个层次的作用：
- 用户层（`User Level`）
- 设备独立性层（`Device-Independent Software Layer`）
- 设备驱动程序层（`Device Drivers Layer`）
- 中断处理层（`Interrupt Handlers Layer`）
- 硬件层（`Hardware Layer`）

### 用户层

用户层是应用程序和操作系统交互的层次。应用程序通过系统调用来请求IO操作，向操作系统提交IO请求，并接收IO操作完成后的数据。用户层的主要工作：
1. 提供用户接口，使用户程序能够请求IO操作。
2. 处理高层次的IO操作，如文件读写、网络通信等。

### 设备独立性层

设备独立性层提供设备无关的IO操作接口，使应用程序无需关心具体的设备细节。负责实现设备独立的功能，如缓冲区管理、错误处理和设备分配。设备独立性层的主要工作：
1. 设备分配：管理设备的分配和释放，确保设备的合理使用。
2. 缓冲区管理：管理IO缓冲区，确保数据在设备和内存之间的有效传输。
3. 错误处理：处理IO操作中的错误，提供统一的错误报告机制。

### 设备驱动程序层

设备驱动程序是设备无关性层和硬件层之间的桥梁，负责实现设备特定的操作。直接与硬件设备进行交互，执行具体的IO操作。设备驱动程序层的主要工作：
1. 初始化设备：在系统启动时对设备进行初始化，使其进入可用状态。
2. 执行IO操作：实现设备特定的读写操作，将高层次的IO请求转换为设备特定的命令。
3. 中断处理：处理设备发出的中断信号，通知操作系统IO操作的完成情况。

### 中断处理层
中断处理层负责处理来自硬件设备的中断请求，确保系统及时响应设备的状态变化。中断处理程序在设备操作完成后被触发，负责处理和清理中断。中断处理层的主要工作：
1. 保存上下文：在处理中断时保存当前的CPU状态，以便中断处理完成后恢复。
2. 处理中断：根据中断类型执行相应的处理操作，如读取数据、更新状态等。
3. 恢复上下文：中断处理完成后恢复CPU状态，继续执行被中断的程序。

### 硬件层

硬件层是物理设备本身，负责实际的数据传输和控制操作。包括各种输入输出设备，如磁盘、打印机、网络接口等。硬件层的主要工作：
1. 设备控制：硬件层执行具体的控制操作，如读写磁盘、发送网络数据等。
2. 数据传输：实现数据在设备和系统之间的物理传输。

## 文件管理

### 文件的概念

文件是数据集合的逻辑单元，是计算机存储信息的基本单位。每个文件都有一个文件名和文件属性，属性包括文件类型、大小、创建时间、修改时间、权限等。

> 拓展：文件可以类比现实世界的书籍、纸张、文件等信息集合，这些信息在计算机中，可以统称为“文件”。

### 树形结构

文件系统通常采用树形目录结构，以根目录为起点，向下扩展为多个子目录和文件。树形结构的文件地址表示方式，一般有两种：
- 相对路径：从当前工作目录出发，指向目标文件或目录的路径。
- 绝对路径：从根目录出发，完整地描述文件或目录的路径。

例题：以Linux系统为例，在当前目录为 `/home/user` 的情况下，文件 `docs/report.txt` 的相对路径为 `docs/report.txt`，绝对路径为 `/home/user/docs/report.txt`。

> 拓展：在Linux系统中，一个系统一般只有一个根目录：`/`，但Windows系统略有不同，因为Windows系统中的文件管理默认是分区的，也就是常见的 `C / D / E` 这些盘符，根目录也就有了多个，即 `C / D / E` 等。 

### 位示图

位示图是一种空间管理方法，利用位图来记录磁盘块的使用情况，其中“位”可以认为是“比特位”。每个磁盘块对应位图中的一位，1 表示已使用，0 表示空闲。

位示图中还有一个“字”的概念，假设一个字有8个比特位，即一个字可以表示8个磁盘块是否可以使用。

注意：“字”一般默认从 1 开始编号，而“位”一般默认从 0 开始编号。

考试中，可能会告诉你一个“字”的位长，然后给出一些磁盘块序号，从而求取其位置在第几个字的第几位，总而言之也是简单的数学计算，注意审题即可。

### 索引文件

索引文件通过索引表来管理文件，索引表记录文件中每个逻辑块对应的物理块位置。索引表可以是单级索引、多级索引或组合索引。

#### 多级索引

多级索引（`Multilevel Indexing`）是一种分层次管理文件数据块的方法。一级索引表记录指向二级索引表的指针，二级索引表记录指向三级索引表的指针，依此类推，直到最后一级索引表记录指向实际数据块的指针。

假设一个文件系统采用多级索引方式来存储文件，索引表的结构如下：

1. 一级索引表（一级指针）：包含指向二级索引表的指针，每个指针指向一个完整的二级索引表。一级索引表的大小决定了可以有多少个二级索引表。
2. 二级索引表（二级指针）：包含指向三级索引表的指针，每个指针指向一个完整的三级索引表。二级索引表的大小决定了可以有多少个三级索引表。
3. 三级索引表（三级指针）：包含指向实际数据块的指针，每个指针指向一个完整的数据块。三级索引表的大小决定了可以管理多少个数据块。

示例：假设每个索引表最多可以包含 256 个指针，一个数据块的大小是 4 KB。我们有一个大文件需要多级索引来存储。
由以上数据，我们可以得到如下几个结论：
1. 文件大小和数据块数量：假设文件大小为 4 MB。每个数据块为 4 KB，因此文件需要 `4MB / 4KB = 1024` 个数据块。
2. 一级索引表：假设一个一级索引表可以包含 256 个指针，因此它可以指向 256 个二级索引表。
3. 二级索引表：每个二级索引表也可以包含 256 个指针，因此它可以指向 256 个三级索引表。
4. 三级索引表：每个三级索引表可以包含 256 个指针，因此它可以指向 256 个数据块。

多级索引的优缺点

- 优点：扩展性好：适用于非常大的文件，因为可以通过增加索引级别来管理更多的数据块。灵活性高：可以根据文件的大小动态调整索引级别。
- 缺点：索引表占用空间：多级索引需要额外的索引表存储空间。查找时间增加：需要多次访问索引表才能找到实际的数据块，增加了查找时间。

#### 例题：计算多级索引表的数量
题目：一个文件系统采用三级索引来管理文件。假设每个索引表最多包含 256 个指针，每个数据块的大小是 4 KB。现在有一个大小为 100 MB 的文件。请计算该文件需要的多级索引表的数量。

解答步骤：

1. 计算数据块数量：

> 已知：文件大小为 100 MB，数据块大小为 4 KB。  
> 计算文件需要的数据块数量：  
> 数据块数量 = `100MB / 4KB` = `100 × 1024KB / 4 KB` = `25600` 个数据块

2. 计算三级索引表的数量：

> 已知：每个三级索引表可以包含 256 个指向数据块的指针。  
> 需要的三级索引表数量：  
> 三级索引表数量 = `25600 / 256` = `100` 个三级索引表

3. 计算二级索引表的数量：

> 已知：每个二级索引表可以包含 256 个指向三级索引表的指针。  
> 需要的二级索引表数量：  
> 二级索引表数量 = `100 / 256` = `0.39` = `1` 个二级索引表

4. 计算一级索引表的数量：

> 已知：每个一级索引表可以包含 256 个指向二级索引表的指针。  
> 需要的一级索引表数量：  
> 一级索引表数量 = `1 / 256` = `0.004` = `1` 个一级索引表

答案：该文件需要的多级索引表数量为：`100` 个三级索引表；`1` 个二级索引表；`1` 个一级索引表