11.文件系统实现

• 文件系统

  • 在存储设备上组织文件的方法和数据结构
  • 操作系统中负责管理和存储文件信息的模块
  • 系统角度
    • 对存储设备的空间进行组织和分配
    • 负责文件检索、读写等操作
    • 目标：存取速度和存储空间效率
  • 用户角度
    • 提供按名存取的文件访问机制
    • 文件的组织管理
    • 目标：方便的文件存取机制

• 文件系统的层次架构

  • I/O控制
    • 设备驱动程序
    • 中断
  • 设备驱动程序
    • 控制I/O设备运行
    • 向硬件控制器发送专门控制命令
    • 操作系统通过设备驱动程序控制设备
  • 基本文件系统
    • 物理块读写
    • 向设备驱动程序发送控制命令，例如read drive 1
  • 文件组织模块
    • 管理文件、逻辑块和物理块
    • 把文件的逻辑地址转换为物理地址
    • 管理空闲空间
    • 为文件分配物理块
  • 逻辑文件系统
    • 管理文件系统中的元数据（除了文件数据外的所有结构数据）
    • 文件按名存取
    • 文件目录组织管理
    • 把文件名转换为文件ID，文件句柄
    • 管理FCB
    • 存储保护

• 文件系统实现

  • 物理块：基本文件读写单位
  • 分区：磁盘分割成若干个独立的空间个空间称为分区
    • 两大类分区：主分区和扩展分区
    • 主分区：能够安装操作系统的启动分区
    • 扩展分区：不能直接使用，必须分成若干逻辑分区
  • 卷：磁盘上的逻辑分区，建立在物理分区上
    • 一般每个卷可以建立一个文件系统
  • 两种文件系统
    • 磁盘文件系统
    • 内存文件系统
  • 磁盘文件系统结构
    • 引导控制块：包含了系统引导操作系统的各种信息，只有安装操作系统的分区才有
      • UFS：引导块
      • NTFS:分区引导扇区
    • 分区控制块：包含分区信息
      • 总的块数、空闲块数、块大小等信息
      • UFS：超级块
      • NTFS：主控文件表
    • 目录和FCB
    • 用户文件

• 磁盘文件系统

• 内存文件系统

  • 包括：
    • 分区表：所有安装分区信息
    • 目录缓冲结构：保存最近访问的目录信息
    • 系统打开文件表
    • 进程打开文件表
  • 文件操作需要用到内存文件系统
  • 目的：通过缓冲技术提高文件系统性能、

• 虚拟文件系统

  • 目的：
    • 支持多个文件系统
    • 把多个文件系统整合成一个目录结构
    • 为用户屏蔽各个文件系统的差异
  • 虚拟文件系统VFS：
    • 提供了一种面向对象的方法来实现文件系统
    • 为不同类型的文件系统提供了接入VFS的接口
    • 为用户提供了统一的系统调用接口
  • 文件系统接口
    • 统一的应用程序访问文件的接口
    • 如：open、close、read、write等
  • VFS接口
    • 为各类不同的文件系统定义VFS接口
    • 符合该接口的文件系统都可以接入VFS

• 网络文件系统：NFS

  • 用于通过LAN（或WAN）访问远程文件系统的软件系统的实现或规范
  • 好处：节省存储空间，实现共享

• CIFS

  • 通用Internet文件系统（Common Internet File System）
  • 在Windows主机之间进行网络文件共享
  • CIFS使用客户/服务器模式

• 常用文件系统

  • Windows
    • FAT（File Allocation Table）
    • NTFS（ New Technology File System ）
    • ReFS （Resilient File System）
  • Linux
    • Ext
  • Mac OS
    • HFS
  • CD
    • CDFS

• 物理块

  • 读写存储设备的基本单文
    • 文件读写操作时，以块为单位进行读写
    • 如：程序需要读1个字节，则OS把包含该字节的一块读入
    • 好处：减少读写次数，提高效率
  • 存储设备的基本分配单位
    • 以物理块为单位为文件分配存储空间
  • 和内存的页面大小相对应
    • 页面大小：4KB
    • 物理块大小：4KB的倍数

• 逻辑块

  • 逻辑块：在文件空间中的块
    • 大小和物理块一致
    • 一个逻辑块存储在一个物理块中

• 存储空间分配方式

  • 连续分配

• 链接分配

• 索引分配

• 物理块块号

  • 一维空间
  • 从0开始编号
  • 可以根据物理设备的特性进行转换

• 连续分配

  • 每个文件在磁盘上占用一组连续的物理块
  • FCB仅需给出：
    • 起始块号
    • 长度
  • 地址映射
    • 逻辑地址LA：文件内相对地址（一维）
    • 物理地址（B,D）：存在在物理块中的地址（二维）
    • 物理块大小：S
    • 物理地址：
      • 访问块号B = Q + 起始块号
      • 块内偏移D
  • 性能分析
    • 优点
      • 支持随机访问
      • 存取速度快
      • 适用一次性写入操作
    • 例子：文件中偏移位12321位置的数据（块大小为4KB）
      • Q= [ 12321 / 4KB ] = 3 R=33
      • 读入块号b = Q + 起始块 = 3 + 6 = 9
    • 缺点
      • 浪费空间（小空间无法分配）
      • 文件不能动态增长（文件A）
      • 不利于文件的插入和删除（需要移动数据）
  • 连续分配的改进
    • 改进的连续分配方案
    • 基于扩展的文件系统（局部连续）
      • 扩展是一组连续的磁盘块集合
      • 扩展在文件分配时被分配
      • 一个文件可能包含一个或多个扩展
      • 需要一个指向下一个扩展的指针

• 链接分配

  • 离散物理块分配方式
    • 连接分配
    • 索引分配
  • 链接分配
    • 文件信息存放在若干个不连续物理块中
    • 文件的所有物理块通过指针链接成链表结构
  • 分类
    • 显示链接
    • 隐式链接

• 隐式链接

  • 链表的指针隐藏在物理块中
  • 每个物理块中的指针指向下一个物理块
  • FCB给出文件首块地址
  • 文件结束于空指针
  • 每个物理块用于存放文件信息的空间变小
    • 减去指针占据的空间
    • 4KB物理块，指针4Bytes：4092Bytes
  • 地址映射
    • 逻辑地址LA：文件内相对地址（一维）
    • 物理地址（B,D）：存在在物理块中的地址（二维）
    • 物理块大小：S 指针大小：P
    • 物理地址
      • 访问块号B = 链表中第Q项对应的物理块块号
      • 块内偏移D = D
  • 性能分析
    • 优点
      • 可以离散存放，提高磁盘的利用率
      • 可以动态扩充文件大小
      • 便于文件的插入和删除操作
    • 缺点
      • 无法实现随机访问，访问文件慢（访问第i块，需要把0-（i-1）块都读入）
      • 可靠性差
    • 优化方法：多块集合成组

• 显示链接

  • 隐式链接的问题
    • 指针分散存放
    • 为了读到一个指针而读入整个物理块
  • 显示链接
    • 指针集中存放
    • 把所有指针存放在一张链接表
  • 大大提高了检索速度
    • 先访问链接表，再访问物理块
  • 链接表一般在文件系统装载时装入内存
  • 链接表大小
    • 表项16位：最大2^16 * 2Bytes = 128KB
    • 表项32位：最大2^32 * 4Bytes = 16GB
  • 不适合大容量磁盘
    • 如4TB磁盘，物理块4KB
    • 链接表大小=(4TB/4KB)*4Bytes = 4GB

• 显示链接例子：FAT

  • FAT文件系统是微软最早在MS-DOS开始使用的文件系统
  • FAT（File Allocation Table）
    • FAT12
    • FAT16
    • FAT32
    • FAT64（exFAT）

• FAT32

  • 两份FAT表
  • 每个簇（物理块）固定为4KB~32KB
  • FAT表的表项占据32位
  • FAT表最大表项2^32项
  • 单个文件不能大于4GB
  • FAT32管理的单个最大磁盘空间：4KB*2^32 = 2TB

索引分配

• 解决隐式链接分配的指针分配在各个块里的问题，解决方案是分散的FAT，为每个文件弄一个索引表
• 多级索引
  • 大文件无法用单级索引实现
  • 访问块号B = Q1块索引的Q2项 块内偏移 D = R2

空闲空间管理

• 空闲表适用连续分配
  • 空闲链表的分配是从连表头摘下适当的空闲块，回收就是空闲块加入尾部。
  • 优点：不需专用块存放管理信息，缺点：增加I/O操作，得到连续空间难
• 位示图：利用二进制一位bit来表示一个块的使用情况
  • 1：盘块空闲，0：盘块已分配
  • 位示图需要额外的空间 n=230 / 212 =2 18