Lab8：文件系统

文件系统的概念

文件系统是操作系统中管理持久性数据的子系统，提供数据存储和访问功能

文件是具有符号名，由字节序列构成的数据项集合

文件系统的功能

分配文件磁盘空间

管理文件块（位置和顺序）
管理空闲空间
分配算法

管理文件集合

定位：文件及其内容
命名：通过名字找到文件
文件系统结构：文件组织方式

数据可靠和安全

安全：多层次保护数据安全
可靠：持久保存文件，避免系统崩溃、媒体错误、攻击等

文件属性：名称、类型、位置、大小、保护、创建者、创建时间、最近修改时间
文件头：文件系统元数据中的文件信息

文件属性
文件存储位置和顺序

文件描述符

文件访问模式

进程访问文件数据前必须先“打开”文件

内核跟踪进程打开的所有文件

操作系统为每个进程维护一个打开文件表，文件描述符是打开文件的标识

操作系统在打开文件表中维护的打开文件状态和信息

文件指针

最近一次读写位置，每个进程分别维护自己打开的文件指针

文件打开计数

当前打开文件的次数，最后一个进程关闭文件时，将其从打开文件表中移除

文件的磁盘位置

缓存数据访问信息

访问权限

每个进程的文件访问模式信息

文件的用户视图和系统视图

文件的用户视图

持久的数据结构

系统访问接口

字节序列的集合，系统不关心存储在磁盘上的数据结构

操作系统的文件视图

数据块的集合，数据块是逻辑存储单元，而扇区是物理存储单元

用户视图到系统视图的转换

进程读文件

获取字节所在的数据块，返回数据块内对应内容

进程写文件

获取数据块，修改数据块的对应部分，写回数据块

访问模式：

顺序访问: 按字节依次读取
随机访问: 从中间读写
索引访问: 依据数据特征索引

文件内部结构

无结构

单词和字节的序列

简单记录结构

分列、固定长度和可变长度

复杂结构

格式化文档、可执行文件等

文件系统种类

分层文件系统

文件以目录的方式组织起来

目录是一类特殊的文件，目录的内容是文件索引表<文件名, 指向文件的指针>

目录实现

文件名的线性列表，包涵了指向数据块的指针
哈希表 – 哈希数据结构的线性表

文件别名

硬链接: 多个文件项指向一个文件
软链接: 以“快捷方式”指向其他文件

种类

磁盘文件系统
数据库文件系统
日志文件系统
网络/分布式文件系统
特殊/虚拟文件系统

文件系统的实现

分层结构

虚拟（逻辑）文件系统(VFS, Virtual File System)

对所有不同文件系统的抽象，提供相同的文件系统接口，管理所有文件和文件系统关联的数据结构，与特定的文件模块进行交互

文件系统基本数据结构

文件卷控制块 (Unix: “superblock”)

每个文件系统一个
文件系统详细信息
块、块大小、空余块、计数/指针等

文件控制块(Unix: “vnode” or “inode”)

每个文件一个
文件详细信息
访问权限、拥有者、大小、数据块位置等

目录项 (Linux: “dentry”)

每个目录项一个(目录和文件)
将目录项数据结构及树型布局编码成树型数据结构
指向文件控制块、父目录、子目录等

文件系统的存储结构

文件系统数据结构

卷控制块 (每个文件系统一个）
文件控制块 (每个文件一个）
目录节点(每个目录项一个）

持久存储在外存中

存储设备的数据块中

当需要时加载进内存

卷控制模块 : 当文件系统挂载时进入内存
文件控制块: 当文件被访问时进入每次
目录节点: 在遍历一个文件路径时进入内存

数据块缓存

数据块按需读入内存

提供read()操作
预读: 预先读取后面的数据块

数据块使用后被缓存

假设数据将会再次用到
写操作可能被缓存和延迟写入

两种数据块缓存方式

数据块缓存
页缓存: 统一缓存数据块和内存页

页缓存

虚拟页式存储

在虚拟地址空间中虚拟页面可映射到本地外存文件中

文件数据块的页缓存

在虚拟内存中文件数据块被映射成页，文件的读/写操作被转换成对内存的访问，可能导致缺页和/或设置为脏页

文件分配

连续分配

文件头指定起始块和长度

分配策略：最先匹配, 最佳匹配

文件读取表现好，高效的顺序和随机访问

链式分配

文件以数据块链表方式存储

文件头包含了到第一块和最后一块的指针

创建、增大、缩小很容易，没有碎片

索引分配

为每个文件创建一个索引数据块，指向文件数据块的指针列表，文件头包含了索引数据块指针

创建、增大、缩小很容易，没有碎片，支持直接访问

（续