外存管理与文件系统

第99篇

极客时间《许式伟的架构课》课程笔记。

外存的分类（依据功能特性）

1. 顺序读写型

• 典型产品：磁带
• 应用场景：归档，数据备份
• 不常见

2. 随机只读型

• 典型产品：光盘
• 应用场景：资料分发和归档
• 日常应用较多，如软件、电影、音乐的发布

3. 随机读写型

• 典型产品：软盘、硬盘、U盘、SSD等
• 应用场景：几乎所有电脑类的设备都会使用
• 最常见的外存，PC、笔记本、手机、手表、汽车等都会用到

外存的数据格式

• 与内存管理不同，外部存储的管理需要文件系统
• 文件系统把存储设备中的数据组织成一棵树，节点可以是文件夹，也可以是文件
• 树的根节点为根目录，文件时叶节点，保存希望存储的资料
• 每个节点，无论是目录还是文件，都有自己的名字、创建时间、最后编辑时间、最后访问时间等信息

常见文件系统

1. 随机只读型存储的文件系统

   
   
   随机只读

2. 随机读写型存储的文件系统

   
   
   随机读写

• 文件系统种类很多，但设计思路基本相似，大部分现代文件系统都基于日志来改善文件系统的防灾难能力，基于B树或B+树组织元数据
• FAT文件系统是例外，它直接把目录当一个特殊文件，里面一次列出目录里所有子节点的元信息，缺点是当目录树深、子节点数量多时性能会大幅降低
• 随机读写型存储支持分区，分区的本质是把一个存储设备模拟成多个存储设备使用

外存的使用接口

1. 命令行工具
   最简单的方式是用操作系统提供的命令行工具。例如：
   目录相关：ls, mkdir, mv, cp, rmdir 等。
   文件相关：cat, vi, mv, cp, rm 等

2. 系统调用
   最原始的方式是 “系统调用”。但大部分编程语言对此都有相应的封装，如 Go 语言中的相关功能如下：
   目录相关：os.Mkdir, os.Rename, os.Remove 等。
   文件相关：os.Open/Create/OpenFile, os.Rename, os.Remove 等。

虚拟内存支持

• 在物理内存不足的时候，操作系统会利用外存把一些很久没有使用的内存页的数据，保存到外存以进行淘汰
• 在 UNIX 系的操作系统中，操作系统为此分配了一个磁盘分区叫 swap 分区，专门用于内存页的保存和恢复
• 在 Windows 操作系统中则通过一个具有隐藏属性的 .swp 文件来实现
• 在缺页发生比较频繁时，内存页的数据经常性发生保存和恢复，这会发生大量的磁盘 IO 操作，非常占用 CPU 时间，所以可以非常明显感觉到计算机变得很慢