OS学习笔记六：文件系统

一、文件与文件系统

1、文件是什么？

• 文件 是 对磁盘的 抽象

• 所谓文件 是指 一组带标识（标识即为文件名）的、在逻辑上有完整意义的信息项的序列

• 信息项：构成文件内容的基本单位（单个字节，或多个字节），各信息项之间具有顺序关系

• 文件内容的意义：由文件建立者和使用者解释

2、文件系统

• 操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用

• 统一 管理磁盘空间，实施磁盘空间 的分配与回收

• 实现文件的按名存取

  名字 空间 映射 磁盘空间

• 实现文件信息的共享，并提供文件的 保护、保密手段

• 向 用户提供一个方便 使用、易于维护 的 接口，并向 用户提供 有关统计信息

• 提高文件系统的性能

• 提供与I/O 系统的 统一 接口

3、文件分类

按文件性质和用途分类（UNIX ）：

• 普通文件、目录文件、特殊文件( 设备文件) 、管道文件、套接字

• 普通文件(regular)：包含 了用户的信息，一般为ASCII 或二进制文件

• 目录文件(directory)：管理 文件系统的系统文件

• 特殊文件(special file)：

  • 字符 设备文件：和输入输出有关，用于模仿串行I/O设备，例如终端，打印机， 网 卡 等

  • 块 设备文件

二、文件的存储介质

1、物理块（块block 、簇cluster ）

• 信息存储 、传输、 分配的独立单位
• 存储设备划分为大小相等的物理块，统一编号

2、典型磁盘结构

任何时刻只有一个磁头处于活动状态：输入输出数据流以位串形式出现

物理地址形式 ： 磁头号（盘面号）、磁道号（柱面号）、扇区号

扇区 ：标题(10 字节) 、数据(512 字节) 、ECC 纠错信息(12-16 字节)

磁臂带动磁头按照盘片的半径方向移动

盘片中间的轴可以带动盘片旋转，平常所的多少转就是指的这个

3、磁盘的访问

一次访盘请求：

读/ 写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/ 目）

完成过程由三个动作组成：

• 寻道（时间） ：磁头移动定位到指定磁道

• 旋转延迟（时间） ：等待指定扇区从磁头下旋转经过

• 数据传输（时间） ：数据在磁盘与内存之间的实际传输

SSD没有前两步

三、磁盘的空间管理

1、有关的数据结构

• 位图法

  • 用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每个物理块对应一位，分配物理块为0 ，否则为1

  • 申请物理块时，可以在位示图中查找为1 的位，返回对应物理块号

  • 归还时，将对应位 转置1

• 空闲块表

  • 将 所有空闲块记录在一个表中，即空闲块表

  • 主要两项内容：起始块号，块数

• 空闲块链表

  • 把所有空闲块链成一个链

  • 扩展：成组链接法

2、磁盘地址与块号的转换

已知块号，则磁盘地址：

柱面号＝[ 块号/ （磁头数 × 扇区数）]磁头号＝[ （块号mod  （磁头数 × 扇区数））/ 扇区数]扇区号＝（块号mod  （磁头数 × 扇区数））mod  扇区数

已知磁盘地址：

块号＝柱面号 × （磁头数 × 扇区数）＋磁头号 × 扇区数＋扇区号

位图计算公式：

已知字号i 、位号j  ： 块号＝i × 字长＋j已知块号： 字号＝[  块号/ 字长] 位号＝块号 mod 

位图计算公式：

已知字号i 、位号j ： 块号＝i × 字长＋j

已知块号： 字号＝[ 块号/ 字长] 位号＝块号 mod 字长

四、文件控制块及文件目录

1、文件属性

• 文件控制块（File Control Block ）
  为管理文件而设置的数据结构， 保存 管理文件所需的所有有关信息（文件属性或元数据）

• 常用属性
  文件名，文件号 ，文件大小 ， 文件地址 ， 创建时间，最后修改时间，最后访问时间， 保护，口令，创建者，当前拥有者，文件类型，共享计数，各种标志( 只读、隐藏、系统、归档、ASCII/ 二进制、顺序/ 随机访问、临时文件、锁)

2、文件目录、目录文件、目录项

• 文件目录

  • 统一 管理每个文件 的元数据，以支持文件名到文件物理地址的转换

  • 将所有文件的管理信息组织在一起，即构成文件目录

• 目录文件

  • 将文件目录以文件的形式存放在磁盘上

• 目录项

  • 构成文件目录的基本单元

  • 目录项 可以 是FCB ， 目录是 文件控制 块的有序集合

五、文件的物理结构

1、文件的物理结构

• 文件 在存储介质 上的存放方式

• 主要解决两个问题：

  • 假设一个文件被划分成N 块，这N 块在磁盘上是怎么存放的？

  • 其地址( 块号或簇号) 在FCB

2、Unix的三级索引结构

UNIX 文件系统采用的是多级索引结构( 综合模式)

• 每个文件的索引表有15 个索引项，每项2 个字节

• 前12 项直接存放文件的物理块号（直接寻址）

• 如果文件大于12 块，则利用第13 项指向一个物理块，在该块中存放文件物理块的块号（一级索引表）假设扇区大小为512 字节，物理块等于扇区块大小，一级索引表可以存放256 个物理块号

• 对于更大的文件还可利用第14 和第15 项作为二级和三级索引表

试问：采用这种结构，一个文件最大可达到 ？ 个物理块

六、文件系统的实现

1、概述

• 实现文件系统需要考虑
  磁盘上 与 内存中 的 内容 布局
• 磁盘上
  
  • 如何启动操作系统？
  • 磁盘是怎样管理的？怎样获取磁盘的有关信息？
  • 目录文件在磁盘上怎么存放？普通文件在磁盘上怎么存放？
• 内存中
  
  • 当进程 使用文件时 ，操作系统是如何支持的？
  • 文件系统的内存数据结构

2、相关术语

• 磁盘分区(partition) ：
  把 一个 物理磁盘 的存储空间划分为几个相互独立的部分，称为 分区

• 文件卷(volume) ：磁盘上的逻辑分区，由一个或多 个物理块( 簇) 组成

  • 一个文件卷 可以是整个磁盘 或 部分磁盘 或 跨盘（RAID ）

  • 同 一个文件卷中 使用同一份管理数据 进行文件 分配和磁盘空闲空间管理 ，不同 的文件卷 中的 管理 数据是相互独立的

  • 一个文件 卷上：包括文件系统 信息、一组文件（用户文件、目录文件）、未分配空间

  • 块 （Block ）或 簇 （Cluster ） ： 一 个或多个（2 的幂）连续的 扇区，可 寻址数据块

• 格式化(format) ：在一个文件卷上建立文件系统，即建立并初始化 用于文件 分配和磁盘空闲空间管理的 管理数据

3、磁盘上的内容

• 引导 区

  包括 了 从该卷引导操作系统所需要的信息每个卷（分区）一个，通常为第一个扇区

• 卷（分区）信息

  包括该卷（分区）的块（簇）数、 块（簇）大小 、空闲 块（簇）数量 和指针、空闲FCB 数量和指针……

• 目录文件( 根目录文件及其他目录文件)
• 用户文件

4、内存中需要的数据结构–以UNIX为例

七、文件系统实例–UNIX

1、文件目录检索

2、目录文件实现时改进

• 提问：如何加快目录检索？

• 一种解决方案：

  目录项分解法：即把FCB 分成两部分

  • 符号目录顶

    文件名，文件 号

  • 基本目录项

    除 文件名 外的所有 字段

  例子：UNIX 的I 节点（索引节点 或 inode）

3、改进后的好处

4、UNIX文件系统

• FCB = 目录项 + i 节点

• 目录项：文件名 + i 节点号

• 目录 文件由目录项构成

• i 节点 ：描述文件的相关 信息

• 每个文件由一个目录项、一个i 节点和若干磁盘块构成

八、文件系统实例——FAT

1、文件分配表FAT

• 可以把文件分配表 看成 是 一个整数数组 ，每个 整数 代表 磁盘分 区 的一个簇 号

• 状态

  未使用、坏簇、系统保留、被文件占用（下一簇簇号）、最后一簇（0xFFFF ）

• 簇 号从0 开始编号，簇0 和簇1 是保留的

3、FAT32文件系统

九、文件系统的管理

1、文件系统一致性

• 问题的产生：

  磁盘块 → 内存 → 写回磁盘块

  若在写回之前，系统崩溃，则文件系统出现不一致（这里的一不一致指的是：元数据，比如FCB什么的，而不是某个文件的内容）

• 解决方案：

  设计一个实用程序，当系统再次启动时，运行该程序，检查磁盘块和目录系统

2、磁盘块的一致性检查

1. 如果空闲块中值为0，而使用块中的记录为1，则修改空闲块中的记录为1

2. 如果空闲块中值为1，而使用块中的记录为0，则修改空闲块中的记录为0

3. 如果空闲块中值为0，而使用块中的记录为2，则需要重新分配一个空闲块来存储多出来的那份使用块，并修改之前使用块记录为1

3、文件系统的写入策略

• 通 写（write-through ）

  内存 中的修改立即写到磁盘

  缺点 ：速度性能差

  例 ： FAT 文件系统

• 延迟 写（lazy-write ）

  利用回 写（write back ）缓存 的方法得到高速

  可恢复性 差

• 可 恢复写（transaction log ）

  采用 事务日志来实现文件系统的写入

  既 考虑安全性，又考虑速度性能

  例 ：NTFS

4、UNIX的文件访问控制

十、文件系统的性能

1、文件系统的性能问题

• 磁盘服务

  → 速度成为系统性能的主要瓶颈之一

• 设计文件系统应尽可能减少磁盘访问次数

• 提高文件系统性能的方法：

  目录 项(FCB) 分解 、当前目录、磁盘 碎片 整理块高速缓存 、磁盘调度、提前读取、合理分配磁
  盘空间、信息的优化分布、RAID 技术… …

2、块高速缓存（BLOCK CACHE）

又 称为 文件 缓存 、磁盘高速缓存 、缓冲区高速缓存

是指： 在 内存中为磁盘 块 设置的一个缓冲区， 保存了磁盘 中 某些 块 的副本

• 检查所有的读请求，看所 需块 是否在块高速缓存 中

• 如果 在，则可直接进行读操作；否则，先将数据块读入块高速缓存， 再拷贝到所需的地方

• 由于访问的局部性 原理 ，当一数据块 被 读 入 块 高速缓存 以满足一个I/O 请求时， 很可能 将来还会 再次访问 到 这 一 数据

3、提前预取

• 思路：每次访问磁盘，多读入一些磁盘块

• 依据：程序执行的空间局部性原理

• 开销： 较小( 只有数据传输时间)

• 具有针对性

4、合理分配磁盘空间

分配 磁盘 块 时，把有可能顺序存取的块放在 一起

→ 尽量 分配在同一柱面上，从而减少磁盘臂的 移动次数和距离

5、磁盘调度

• 当 有 多 个访盘 请求等待 时，采用一定的策略，对这些请求的服务顺序调整 安排

  → 降低 平均磁盘服务时间，达到公平、高效

• 公平：一个I/O 请求在有限时间内满足

• 高效：减少设备 机械运动带来 的

一次访盘时间 = 寻道时间+ + 旋转延迟时间+ + 传输时间

• 减少寻道时间

• 减少延迟时间

6、磁盘调度算法

1. 先来先 服务(FCFS)
2. 最短寻道时间 优先(Shortest Seek Time First)
3. 扫描 算法SCAN （ 电梯算法）
4. 单向扫描调度算法C-SCAN
5. N-step-SCAN 策略
6. FSCAN 策略
7. 旋转调度算法

7、RAID技术

• RAID （独立磁盘冗余阵列）

  (Redundant Arrays of Independent Disks)
  多块磁盘按照一定 要求 构成一 个 独立的 存储设备

• 目标： 提高 可靠性 和 性能

• 考虑：磁盘 存储系统 的 速度、容量、容错、数据灾难发生后的数据恢复

8、RAID技术的思想

数据是如何组织的？

• 通过 把多个磁盘组织在一起，作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能
• 通过 把数据分成多个数据块， 并行 写入/ 读出多个磁盘，以提高数据传输率（ 数据分条stripe ）
• 通过 镜像或校验操作，提供容错能力（ 冗余 ）

最简单的RAID 组织方式： 镜像

最复杂的RAID 组织方式： 块交错校验

9、RAID 0 –条带化

• 数据分布 在阵列的所有磁盘上

• 有数据请求时，同时多个磁盘并行操作

• 充分利用总线带宽，数据吞吐率提高，驱动器负载均衡

无冗余(即无差错控制)

性能最佳

10、RAID 1 –镜像

• 最大限度保证数据安全及可恢复性
• 所有数据同时存在于两块磁盘的相同位置
• 磁盘利用率50%

数据安性最好

11、RAID 4 –交错块奇偶校验

• 带奇偶校验

• 以数据块为单位

本文整理自：《操作系统原理》北京大学_陈向群 讲义

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作者：jiankunking 出处：http://blog.csdn.net/jiankunking