操作系统&文件管理之FCB

操作系统的外存（主要指磁盘）管理模块根据各磁盘块的当前状态（忙和闲：磁盘管理程序可配置bitmap数据结构，用来统一表示各磁盘块忙闲情况）可分为两类，一是空闲磁盘块的调度管理，二是已占用了磁盘块的文件管理。本文便讨论已使用了外存存储设备的文件的索引和读取管理。

前面提到操作系统的磁盘管理为了和内存管理配合，也是将磁盘分割为最小单元进行统一调度，和内存的页帧概念对应，磁盘管理模块以磁盘块作为最小单元管理磁盘（常见的磁盘块为1KB，对应2个512B扇区，磁盘块是OS概念，磁盘驱动读取是以扇区作为最小单元）。

FCB (file control block)文件控制块

对于操作系统而言，当任何一个文件存储在本地后，会为了方便后续读取管理，而为每个文件建立专门的用以收集必要属性信息的数据结构，称为FCB（概念借鉴自进程管理模块中的PCB process control block)。将数据结构FCB中的信息收集如下。

Fig.1 FCB示意图
在UNIX系统中的FCB的具体实现如下

文件名	扩展名	属性	保留	时间	首块号	大小

文件逻辑结构

按照文件逻辑可分为结构文件（数据表格）和字符流式文件（源程序，dll程序，普通文档）。
对于结构文件，又存在定长记录文件（表格项数目和长度固定）和非定长记录文件（非结构性数据，如每条评论留言，长短不一，当然也可以粗暴地预留足够空间统一规格对待，但是空间利用效率会低）

文件物理结构

结构类型	定义	优点	缺点	其他
连续文件	文件顺序存放在外存的若干个连续物理块中	读取速度快，占用盘块可能处于相连甚至相同的磁道上，故而磁头移动距离较短。	该类占用的磁盘块需要连续成块分配，长期使用会导致较多的磁盘内部碎片，静态分配方式不利于文件长度的动态增删。	常用这种方式来存放频繁使用的程序文件，如boot程序、系统文件经常存放在序号较前的磁盘块连续序列中。
串联文件	该类文件使用的磁盘块不连续，盘块之间通过指针相连，行成串联的队列。	支持文件动态增删，磁盘利用率提高。	文件读取速度低下，磁盘块索引保存方式鲁棒性较差，一旦中间任一磁盘块的指针部分缺损，将导致整个文件无法读取。	指针若是直接埋在个磁盘块中，并没有集中二次处理成查询目录，则称之为隐式连接；若是这些指针统一放置在一张表中（Windows2000以前采用的FAT：file allocation table系统便是采用这种方式），则称为显式连接。每个表项对应一个物理块，存放的指针指向同一文件的逻辑上的下一物理块，这样该FAT表其实还间接地实现了此前提到的bitmap各磁盘块忙闲情况表示功能。当然对于现在的动辄1T的硬盘，其FAT表可不小，想要遍历一次FAT表可能得分批次读入FAT表，性能堪忧，所以现在Windows采用了更好的NTFS文件系统。
索引文件	为每个文件占用的磁盘块建立一张专属的索引表，即文件逻辑块号和物理磁盘块号的对照表。	即实现了磁盘块的动态分配，利于文件长度动态增减，因为索引表的引入故而速度介于连续文件和串联文件之间。	系统需要为每个文件维护一张索引表，系统存在额外开销。	索引表的size显然是和文件size的直接相关的，FBC中便保留了指向该索引表的指针，当然文件如果太大，还是需要多重索引来解决索引表过大的问题。如图2。

Fig.2 多重索引文件结构