4.文件系统

文件系统作用：

• 能够存储大量信息
• 使用信息的进程终止时，信息仍然存在
• 必须能使多个进程并发存取有关信息

文件

文件一种抽象机制，提供了一种在磁盘上保留信息而且以后方便读取的方法。

• 文件命名

  • 文件具体的命名规则在各个系统中是不同的，不过所有的现代操作系统都允许用1至8个字母组成的字符串作为合法文件名。通常文件名中也允许有数字和一些特殊字符。许多文件系统支持长达255个字符的文件名。

  • 有的文件系统区分文件名大小写，有的不区分。UNIX是前一类，MS-DOS是后一类。

  • 文件扩展名用于表示文件的某些信息。在某些操作系统（如UNIX）只是有一种约定，不限制使用；在某些操作系统（如windows）则赋予扩展名含义，可以在操作系统中注册扩展名。

• 文件结构

  • 字节序列

    • 操作系统所见的就是字节，任何含义只在用户程序中解释。
    • Unix和Winodws都是用这种方式。

  • 记录序列

    • 约定固定字节为一记录
    • 读写以记录为单位
    • 现在已不使用

  • 树

    • 类似B树

      
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• 文件类型

  • 块特殊文件
    • 用于磁盘设备
  • 字符特殊文件
    • 用于串行I/O设备，如打印机，网络等等
  • 目录
    • 用于管理文件系统结构的系统文件
  • 普通文件
    • ASCII文件
      • 由多行正文组成
      • 每行由回车符或换行符结束（取决于操作系统）
      • 优势：可以显示和打印
      • 使用公认的标准（ASCII码），可以更易于实现进程间通信
    • 二进制文件
      • 单纯的二进制序列
      • 内部结构由使用该文件的用户程序来解释
      • 例子如下：

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• 文件存取

  • 顺序存取
    • 从头开始按顺序读取文件的全部字节
  • 随机存取
    • 用seek操作设定当前位置后在进行顺序读取。

• 文件属性

  
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目录

• 层次目录系统

  • 几乎所有现代文件系统都是用这个方式组织的

    
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• 路径名

  • 绝对路径
    • 以分割符开头
  • 相对路径
    • 从工作目录开始

    • "."代表当前目录，".."代表父目录。

      
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文件系统实现

• 文件系统布局

  • 文件系统存在于磁盘。磁盘划分为一个或多个分区，每个分区都有一个独立的文件系统。

  • 磁盘的0号扇区是主引导记录（Master Boot Record，MBR）；MBR之后是分区表，记录每个分区的起始和结束地址。

  • 在计算机被引导的时候

    • BIOS读入并执行MBR。
    • MBR做的第一件事是确定活动分区，读入它的第一个块，叫做引导块(boot block)，并执行之。
    • 引导块中的程序将装载该分区中的操作系统。
    • 为了统一起见，所有分区的开始都是引导块，即使没有操作系统。

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文件的实现

记录各个文件分别用到了哪些磁盘块

• 连续分配

  • 把文件作为连续的数据块记录在磁盘上

  • 优点：实现简单，只需记录文件的磁盘地址和文件的块数；读操作性能好，因为数据块连续分配，只有一次寻道和旋转延迟。

  • 缺点：易产生磁盘碎片。
    解决方法：

    • 磁盘压缩；代价太大
    • 维护一个空闲块链表；需要知道文件的最终大小
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• 链表分配

  • 使用链表记录磁盘块

  • 优点：可以充分利用磁盘块,不会产生磁盘碎片

  • 缺点：随机读取慢，需要遍历整个链表

    
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• 内存中采用链表分配

  • 将链表的指针取出来，组成一个数组（文件分配表，FAT），放在内存。

  • 优点：遍历链表无需产生磁盘I/O，随机读取更快。

  • 缺点：表放在内存，占用太多空间，不适合大磁盘。

    
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• i节点

  • 给每个文件分配一个i节点，其中列出了文件属性和文件块的磁盘地址。

  • 只有对应文件打开，i节点才在内存。

  • FAT大小取决于磁盘块的数量，而i节点的大小仅仅取决于文件所占磁盘块的数量，所以占内存大小大大减小了。

    
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目录的实现

• 打开文件时，操作系统根据用户给出的路径名找到相应的目录项，目录项提供了查找文件磁盘块所需要的信息。
  该信息可能是整个文件的磁盘地址，或i节点。
  如下图：

  
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• 现代操作系统大多支持可变的可变长度的长文件名，实现方法有下面三种：

  • 最简单的固定一个255字节的文件名，很浪费空间不考虑。
  • 保存每个文件名的长度。如下图a

  • 在堆中存储文件名，目录项保留指向文件名的指针。如下图b

    
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• 查找文件名

  • 使用散列表
    • 查找速度快
    • 需要维护散列表，管理复杂，所以只有在文件数量大的目录项才使用
  • 使用高速缓存
    • 只有访问集中在少量的文件才有效。

共享文件

• 硬链接

  • 目录指向i节点,并计数

  • 只有当计数被置为0的时候，才真正被删除。

• 软连接(符号连接)

  • 创建一个类型为LINK的文件，并把该文件放在B下。
    • 里面存储了实际的 连接文件位置
  • 访问文件，需要额外的开销

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日志文件结构系统

• 因为高速缓存的存在，对磁盘的读操作比较少，写操作比较多。
• 磁盘的写操作耗时大，存在寻道和旋转延迟。
• 对磁盘的写操作大多是零散的。

由于上面的三个原因，发展出了日志文件结构系统，将零散的写操作记录在日志中，每隔一段时间再统一进行磁盘写操作，节省寻道和旋转延迟。

日志文件系统

• 将磁盘操作写入日志中，当系统崩溃再启动时，根据日志运行所有未完成的操作。
• 写入磁盘的操作必须是幂等的，即无论重复多少次，结果都不会变。

虚拟文件系统

• 使用虚拟文件系统（VFS）将多个文件系统整合到一起。
• 只要一个文件系统提供了VFS的功能调用接口，就可以整合到VFS。

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