【操作系统】文件系统的实现
文章目录
- 文件系统的层次结构
- 文件系统的实现
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- 目录实现
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- 线性列表
- 哈希表
- 文件的实现
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- 连续分配
- 链接分配
- 索引分配
- 文件存储空间管理
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- 空闲表法与空闲链表法
- 成组链接法
- 位示图法
文件系统的层次结构
文件系统从上往下分为了五层，分别是用户调用接口、文件目录系统、存取控制模块、逻辑文件系统与文件信息缓冲区、物理文件系统。
文件系统的实现
目录实现
在操作系统中，目录实现主要有两种方式：
- 线性列表
- 哈希表
线性列表
线性列表是一种常见的数据结构，有链表和数组两种。我们将FCB（文件控制块）中的信息简化为文件名与文件索引节点指针后，文件的目录结构如下：
链表：
数组：
哈希表
哈希表依赖于哈希算法，是一种散列算法，文件名进行哈希计算后得到一个值，将这个值作为索引。相较于线性列表，哈希表的方式使得文件名与索引之间建立了一种映射关系，查询效率更高。
文件的实现
文件最终是保存在磁盘上，磁盘的存储单位通常以一个固定大小作为分区（比如4K）。这样整个磁盘就被分为了很多个大小一致的盘块。
在这个前提下，文件在磁盘进行存储时，就有三种分配方式：
- 连续分配；
- 链接分配；
- 索引分配；
连续分配
连续分配的概念很简单，就是文件在分配到磁盘时，所分配的盘区是连续的。在保存文件存储地址时，只需要保存起始块号以及所占用的块号数量或者结束块号即可。
这种方式实现简单，访问速度块。但是不方便扩展（比如一个文件分了0、1、2后还需要继续追加文件内容，3号块已被占用，就导致无法扩展），同时还有有大量的磁盘碎片。
链接分配
链接分配，其实就是采用了链表这一数据结构来实现文件的存储。 因此我们需要额外的开销来保存每个盘块的下一个盘块信息。
如果下一个盘块的信息保存在盘块内，称之为隐式链接。
但是对于脆弱的机械磁盘而言，一旦收到轻微损伤，导致某一盘块中的链接信息丢失，将会导致整个链表断开，从而丢失文件。针对这个问题，提出了显式链接。
显示链接将链表的下一盘块信息提取出来进行专门的维护，即：FAT文件分配表。在FAT中，如果下一块号为**-1**，表示该号块是链表的最后一个块号。-2表示当前块号是空闲状态。
链接分配意味着操作系统需要将FAT表加载至内存，如果磁盘很大，盘块很多，其实还要占用较大的内存空间。为了优化这个问题，就提出了索引分配方式。
索引分配
索引分配，存放的是文件名对应的索引块号，而不是其实块号。根据索引块号找到对应的盘块，该存储索引数据的盘块保存着文件的索引表，由逻辑块号和物理块号组成。
以上图为例，文件的索引表是一个数组，数组的每个值是一个整数，占4B。由于每个盘块大小为4K，因此一个盘块最多能存放1024个索引。即一个索引块最多关联1024个盘块，也就是4M。
4M对于文件而言，实在太小了，毕竟很多文件动辄几百兆甚至上G。因此一个文件必须多个盘块作为索引表的存储载体。
结合文件的分配方式，可以采用链接分配方式，即多个索引表的盘块使用链表结构进行连接。
相较于链接方式，与操作系统内存分配方式类似，可以采用多级思想，即使用多级的索引结构。如果使用二级索引，则最多可以存储1024个一级索引1024个二级索引4K=4G文件。
当然，上图展示的二级索引基础上还可以优化，比如将二级索引表中的热点数据直接存放于一级索引表中，可以提升文件读取效率。这种方式称为混合索引。
文件存储空间管理
文件分配方式针对的是已分配的文件以及对应的磁盘空间。而文件存储空间管理，针对空闲的磁盘空间的管理。
物理磁盘通常会在逻辑上分成多个区域（比如卷C、卷D），而每个分区中又会分为目录区、文件区。目录区所存储的是数据结构（如FCB）；文件区存放的是文件的数据。
文件的存储空间管理有以下几种方式：
- 空闲表法；
- 空闲链表法；
- 成组链接法；
- 位示图法；
空闲表法与空闲链表法
空闲表法就是将磁盘中那些空闲的盘块信息记录在空闲盘块表中。如果使用数组结构就是空闲表法，如果使用链接结构就是空闲链表法。
对于空闲链表法，如果把每个空闲盘块链接起来，称为“空闲盘块链”；如果结合空闲表法，将空闲表法的空闲盘块表的每项数据通过链表保存，称为“空闲盘块链”。
但是这两种方式在面对大量盘块时，链表过长，这些数据结构要加载到内存中导致占用内存空间大且效率不高。
成组链接法
成组链接发，使用链表以及栈的数据结构。每个空闲盘号栈存放了固定数量的空闲盘号数据。
- 超级块：通常可能从目录区的第一个盘块开始，存储了第一个空闲盘号栈信息；
- 每个空闲盘号栈的第一个元素是特殊的，它不仅存放了自己的盘号，也存储着下一个空闲盘号栈的信息（相当于指针）；
- 倒数第二个空闲盘号栈的栈底是特殊的，保存特殊值0或者-1，表示后面一个空闲盘号栈式最后一个；
系统启动时，会将第一组连续的空闲扇区（根据超级块）加载入内存中，在进行盘块分配时依次出栈，到栈底时根据栈底盘号元素中保存的数据链接到下一空闲盘号栈。
盘号回收的时候，在一个已有的空闲盘号栈装满后，新构造一个空闲盘号栈，然后将其添加到整个链的最前面。
整个流程的示意图如下：
位示图法
位示图法就是构建一个二维表，每个坐标表示一个盘块，用0表示对于盘块空闲，1表示对应盘块已分配。
其说明如下图：
