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Lab8：文件系统

文件系统的概念

文件系统是操作系统中管理持久性数据的子系统，提供数据存储和访问功能

文件是具有符号名，由字节序列构成的数据项集合

文件系统的功能

  1. 分配文件磁盘空间
  • 管理文件块（位置和顺序）
  • 管理空闲空间
  • 分配算法
  1. 管理文件集合
  • 定位：文件及其内容
  • 命名：通过名字找到文件
  • 文件系统结构：文件组织方式
  1. 数据可靠和安全
  • 安全：多层次保护数据安全
  • 可靠：持久保存文件，避免系统崩溃、媒体错误、攻击等

文件属性：名称、类型、位置、大小、保护、创建者、创建时间、最近修改时间
文件头：文件系统元数据中的文件信息

  1. 文件属性
  2. 文件存储位置和顺序

文件描述符

  • 文件访问模式

进程访问文件数据前必须先“打开”文件

  • 内核跟踪进程打开的所有文件

操作系统为每个进程维护一个打开文件表，文件描述符是打开文件的标识

操作系统在打开文件表中维护的打开文件状态和信息

  • 文件指针

最近一次读写位置，每个进程分别维护自己打开的文件指针

  • 文件打开计数

当前打开文件的次数，最后一个进程关闭文件时，将其从打开文件表中移除

  • 文件的磁盘位置

缓存数据访问信息

  • 访问权限

每个进程的文件访问模式信息

文件的用户视图和系统视图

  • 文件的用户视图

持久的数据结构

  • 系统访问接口

字节序列的集合，系统不关心存储在磁盘上的数据结构

  • 操作系统的文件视图

数据块的集合，数据块是逻辑存储单元，而扇区是物理存储单元

用户视图到系统视图的转换

  • 进程读文件

获取字节所在的数据块，返回数据块内对应内容

  • 进程写文件

获取数据块，修改数据块的对应部分，写回数据块

访问模式：

  1. 顺序访问: 按字节依次读取
  2. 随机访问: 从中间读写
  3. 索引访问: 依据数据特征索引

文件内部结构

  1. 无结构

单词和字节的序列

  1. 简单记录结构

分列、固定长度和可变长度

  1. 复杂结构

格式化文档、可执行文件等

文件系统种类

分层文件系统

文件以目录的方式组织起来

目录是一类特殊的文件，目录的内容是文件索引表<文件名, 指向文件的指针>

目录实现

  • 文件名的线性列表，包涵了指向数据块的指针

  • 哈希表 – 哈希数据结构的线性表

文件别名

  • 硬链接: 多个文件项指向一个文件
  • 软链接: 以“快捷方式”指向其他文件

种类

  • 磁盘文件系统
  • 数据库文件系统
  • 日志文件系统
  • 网络/分布式文件系统
  • 特殊/虚拟文件系统

文件系统的实现

分层结构

  • 虚拟（逻辑）文件系统(VFS, Virtual File System)

对所有不同文件系统的抽象，提供相同的文件系统接口，管理所有文件和文件系统关联的数据结构，与特定的文件模块进行交互

文件系统基本数据结构

文件卷控制块 (Unix: “superblock”)

  • 每个文件系统一个
  • 文件系统详细信息
  • 块、块大小、空余块、计数/指针等

文件控制块(Unix: “vnode” or “inode”)

  • 每个文件一个
  • 文件详细信息
  • 访问权限、拥有者、大小、数据块位置等

目录项 (Linux: “dentry”)

  • 每个目录项一个(目录和文件)
  • 将目录项数据结构及树型布局编码成树型数据结构
  • 指向文件控制块、父目录、子目录等

文件系统的存储结构

文件系统数据结构

  • 卷控制块 (每个文件系统一个）
  • 文件控制块 (每个文件一个）
  • 目录节点(每个目录项一个）

持久存储在外存中

  • 存储设备的数据块中

当需要时加载进内存

  • 卷控制模块 : 当文件系统挂载时进入内存
  • 文件控制块: 当文件被访问时进入每次
  • 目录节点: 在遍历一个文件路径时进入内存

数据块缓存

  • 数据块按需读入内存

提供read()操作
预读: 预先读取后面的数据块

  • 数据块使用后被缓存

假设数据将会再次用到
写操作可能被缓存和延迟写入

  • 两种数据块缓存方式

数据块缓存
页缓存: 统一缓存数据块和内存页

页缓存

  • 虚拟页式存储

在虚拟地址空间中虚拟页面可映射到本地外存文件中

  • 文件数据块的页缓存

在虚拟内存中文件数据块被映射成页，文件的读/写操作被转换成对内存的访问，可能导致缺页和/或设置为脏页

文件分配

连续分配

文件头指定起始块和长度

分配策略：最先匹配, 最佳匹配

文件读取表现好，高效的顺序和随机访问

链式分配

文件以数据块链表方式存储

文件头包含了到第一块和最后一块的指针

创建、增大、缩小很容易，没有碎片

索引分配

为每个文件创建一个索引数据块，指向文件数据块的指针列表，文件头包含了索引数据块指针

创建、增大、缩小很容易，没有碎片，支持直接访问

（续

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