操作系统学习笔记：文件系统接口

计算机设备之间差异很大，所以操作系统需要提供一组功能以便于应用程序控制这些设备。操作系统的IO子系统的重要目的之一是为系统其它部分提供最简单的接口。文件接口是接口之一。

一、文件概念
1、文件属性
名称、标识符（文件系统内文件的唯一标签）、类型、位置（指向设备和设备上文件位置的指针）、大小、保护、时间

2、文件操作
1）创建。有两个必要步骤：第一必须在文件系统中为文件找到空间，第二在目录中为新文件创建一个条目

2）写
系统要为该文件维护一个写位置的指针。每当有写操作必须更新写指针。

3）读
为了读文件，使用一个系统调用，并指明文件名称和要读入文件块的内存位置。系统为该文件维护一个读位置指针。读和写使用同一指针。

4）文件内重定位
设置当前文件位置指针（读写指针）为给定值。不需要真正的IO，又称为文件寻址。

5）删除
6）截断

以上是文件的6个基本操作。

为提高性能，绝大多数OS要求使用文件的时候，显式打开。OS会维护一个全局的打开文件表，以满足各种文件操作需要用到的搜索、定位需求。每个打开文件还有一个文件计数器，以记录多少进程打开了该文件。总的来说，打开文件有：
文件指针，文件打开计数器，文件磁盘位置，访问权限

3、文件类型
实现文件类型的常用技术是在文件名称内包含类型，比如采用名称 + 扩展名的方式，后者像UNIX，采用幻数（magic number）,保存在文件的开始部分，但这些都不是必须的。真正确定文件类型，或是否要使用该文件，由应用程序开发者决定。文件扩展名并非由操作系统所支持，只用于给操作它们的应用程序以提示。

不过，像Mac OS X，每个文件都有类型，创建时强制其创建者为相应的应用程序。

操作系统是否支持文件类型是一件很纠结的事情。支持的文件类型太少，会很不方便；太多又会让操作系统过大。

4、文件结构
磁盘系统通常具有明确的块大小，而逻辑记录则长度可变。常用解决办法是先将若干逻辑记录打包，再放入物理记录。文件可当做一系列块的组合。文件最后一块通常会有浪费，块越大，内部碎片就越大。

二、访问方法
1、顺序访问（磁带模型）
读操作自动前移文件指针，写操作在文件尾部增加内容，文件指针移到新增数据后。当然指针也可重置到开始位置，或者向前向后跳过N个记录。
顺序访问适用于顺序访问设备，也适用于随机访问设备。

2、直接访问（磁盘模型）
文件由固定长度的逻辑记录组成，按任意顺序进行快速读和写。
操作之时，块号作为参数传入，可以迅速定位。通常，这个由用户向操作系统提供的块号是相对块号，相对于文件开始的索引。文件系统由这个块号做一定的运算，比如哈希运算，得到绝对块号。
对支持直接访问的文件，当然也很容易实现顺序访问。

3、其他访问方式
其他访问方式可建立在直接访问方式之上，这些访问通常涉及创建文件索引。索引包括各块的指针。查找文件中的记录，首先搜索索引，再根据指针直接访问文件。
对于大文件，索引会分级。

三、目录结构
同一个操作系统可以存在若干个文件系统。这好理解，像我们的电脑中，一个盘是FAT32，另一个盘可能是NTFS。
1、存储结构

卷：硬盘上的存储区域。驱动器使用一种文件系统（如 FAT 或 NTFS）格式化卷，并给它指派一个驱动器号。单击“Windows 资源管理器”或“我的电脑”中相应的图标可以查看驱动器的内容。一个硬盘包括好多卷，一卷也可以跨越许多磁盘

2、目录概述
目录可看做符号表，能将文件名称转换成目录条目。目录有多种操作：
搜索文件、创建文件、删除文件、遍历目录、重命名文件、跟踪文件系统。所谓跟踪文件是指掌握整个文件系统的细节，有哪些目录和文件，使用情况如何，等等。

3、单层结构目录
所有文件都在同一目录中，济济一堂，热闹。便于理解和支持。但多用户时，会有严格限制。比如文件名唯一问题。

4、双层结构目录
每个用户都有自己的用户文件目录。每个用户的文件目录结构都一样。当用户引用特定文件时，只需搜索他自己的目录。再也不用担心自己的文件名与其他用户的重名了。

这种结构，如果用户完全独立是优点，但如果之间需要合作交互就是缺点。这种情况下，文件路径需要带上用户名（感觉类似数据库里面的schema）。文件系统中的不同分区可看成是不同的用户。

有一个特例是系统文件。系统文件作为公用，如果只能在用户自己文件目录内搜索的话，那么每个用户目录都应该有一份，太浪费。解决办法是定义一个特殊用户目录，所有系统文件置于其中。当需要搜索时，先搜用户文件夹，找不到就搜这个特殊目录。

5、树状结构目录
二层结构扩展而来。允许用户创建自己的子目录。

6、无环图目录
树状结构目录扩展。允许共享目录和文件，即同一文件可分属多个不同的目录。
UNIX中，共享目录或文件处理为链接。

7.通用图目录
无环图目录有时容易出现环，比如链接中，出现了自我引用的情况。存在环可能会导致遍历目录时死循环。应避免出现环，或者出现之后要消除，比如增加垃圾回收，消除哪些没有引用或自引用的链接。或者改变遍历算法，遍历目录时避开链接。

四、文件系统安装
文件系统要正确使用，必须安装

五、文件共享
1、多用户

2、远程文件系统
NFS：网络文件系统
DFS：分布式文件系统
1）客户机-服务器模型

2）分布式信息系统
为了便于管理客户机-服务器服务，提供用于远程计算所需信息的统一访问

3）故障模式
远程文件系统很容易出现各种故障，比如掉线等。当故障出现时，客户机系统并不将此作为本地文件系统故障那样进行处理，但会终止对故障服务器的所有操作，或者等候直至服务器再次可用。这种故障语义由远程文件系统协议所定义和实现。通常，终止操作代价较大，绝大多数分布式文件系统在故障出现时，选择等候。

那么故障恢复时，客户机和服务器之间可能需要一定的状态信息。NFS采用了一种简单的方法实现了无状态的DFS，但它不够安全。

3、一致性语义
多用户操作情况下，如何保持文件一致性。
1)UNIX语义
用户的写操作，可以被其他所见
允许用户共享文件指针位置，移动文件指针会影响其他用户

采用UNIX语义，一个文件与单个物理映射关联，互斥访问。

2）会话语义
用户写操作不能立即被打开同一文件的其他用户所见
文件关闭后，修改只能被新打开的会话所见，已经打开的用户看不到

采用这种语义，一个文件可以对多个物理映射进行关联，并发性很好。

3）不可修改共享文件语义
既然是共享文件，就不能修改，只读。

在分布式系统中实现这种语义最简单。

六、保护
文件的保护包括可靠性保护和防止非法访问。可靠性通常由文件备份提供；这里说的保护是指防止非法访问。
1、访问类型
通过限制可进行的文件访问类型，比如说：
读、写、执行、添加、删除、列表清单

2、访问控制
文件对应访问控制列表，而此列表与所有者、组、其他成员组合使用。

3、其他保护方式
文件加密码。