-
文件系統
- 在存儲設備上組織文件的方法和數據結構
- 操作系統中負責管理和存儲文件信息的模塊
- 系統角度
- 對存儲設備的空間進行組織和分配
- 負責文件檢索、讀寫等操作
- 目標：存取速度和存儲空間效率
- 用戶角度
- 提供按名存取的文件訪問機制
- 文件的組織管理
- 目標：方便的文件存取機制
-
文件系統的層次架構
- I/O控制
- 設備驅動程序
- 中斷
- 設備驅動程序
- 控制I/O設備運行
- 向硬件控制器發送專門控制命令
- 操作系統通過設備驅動程序控制設備
- 基本文件系統
- 物理塊讀寫
- 向設備驅動程序發送控制命令，例如read drive 1
- 文件組織模塊
- 管理文件、邏輯塊和物理塊
- 把文件的邏輯地址轉換為物理地址
- 管理空閑空間
- 為文件分配物理塊
- 邏輯文件系統
- 管理文件系統中的元數據（除了文件數據外的所有結構數據）
- 文件按名存取
- 文件目錄組織管理
- 把文件名轉換為文件ID，文件句柄
- 管理FCB
- 存儲保護
- I/O控制
-
文件系統實現
- 物理塊：基本文件讀寫單位
- 分區：磁盤分割成若干個獨立的空間個空間稱為分區
- 兩大類分區：主分區和擴展分區
- 主分區：能夠安裝操作系統的啟動分區
- 擴展分區：不能直接使用，必須分成若干邏輯分區
- 卷：磁盤上的邏輯分區，建立在物理分區上
- 一般每個卷可以建立一個文件系統
- 兩種文件系統
- 磁盤文件系統
- 內存文件系統
- 磁盤文件系統結構
- 引導控制塊：包含了系統引導操作系統的各種信息，只有安裝操作系統的分區才有
- UFS：引導塊
- NTFS:分區引導扇區
- 分區控制塊：包含分區信息
- 總的塊數、空閑塊數、塊大小等信息
- UFS：超級塊
- NTFS：主控文件表
- 目錄和FCB
- 用戶文件
- 引導控制塊：包含了系統引導操作系統的各種信息，只有安裝操作系統的分區才有
磁盤文件系統
-
內存文件系統
- 包括：
- 分區表：所有安裝分區信息
- 目錄緩沖結構：保存最近訪問的目錄信息
- 系統打開文件表
- 進程打開文件表
- 文件操作需要用到內存文件系統
- 目的：通過緩沖技術提高文件系統性能、
- 包括：
-
虛擬文件系統
- 目的：
- 支持多個文件系統
- 把多個文件系統整合成一個目錄結構
- 為用戶屏蔽各個文件系統的差異
- 虛擬文件系統VFS：
- 提供了一種面向對象的方法來實現文件系統
- 為不同類型的文件系統提供了接入VFS的接口
- 為用戶提供了統一的系統調用接口
- 文件系統接口
- 統一的應用程序訪問文件的接口
- 如：open、close、read、write等
- VFS接口
- 為各類不同的文件系統定義VFS接口
- 符合該接口的文件系統都可以接入VFS
- 目的：
-
網絡文件系統：NFS
- 用于通過LAN（或WAN）訪問遠程文件系統的軟件系統的實現或規范
- 好處：節省存儲空間，實現共享
-
CIFS
- 通用Internet文件系統（Common Internet File System）
- 在Windows主機之間進行網絡文件共享
- CIFS使用客戶/服務器模式
-
常用文件系統
- Windows
- FAT（File Allocation Table）
- NTFS（ New Technology File System ）
- ReFS （Resilient File System）
- Linux
- Ext
- Mac OS
- HFS
- CD
- CDFS
- Windows
-
物理塊
- 讀寫存儲設備的基本單文
- 文件讀寫操作時，以塊為單位進行讀寫
- 如：程序需要讀1個字節，則OS把包含該字節的一塊讀入
- 好處：減少讀寫次數，提高效率
- 存儲設備的基本分配單位
- 以物理塊為單位為文件分配存儲空間
- 和內存的頁面大小相對應
- 頁面大?。?KB
- 物理塊大小：4KB的倍數
- 讀寫存儲設備的基本單文
-
邏輯塊
- 邏輯塊：在文件空間中的塊
- 大小和物理塊一致
- 一個邏輯塊存儲在一個物理塊中
- 邏輯塊：在文件空間中的塊
-
存儲空間分配方式
- 連續分配
鏈接分配
索引分配
-
物理塊塊號
- 一維空間
- 從0開始編號
- 可以根據物理設備的特性進行轉換
-
連續分配
- 每個文件在磁盤上占用一組連續的物理塊
- FCB僅需給出：
- 起始塊號
- 長度
- 地址映射
- 邏輯地址LA：文件內相對地址（一維）
- 物理地址（B,D）：存在在物理塊中的地址（二維）
- 物理塊大?。篠
- 物理地址：
- 訪問塊號B = Q + 起始塊號
- 塊內偏移D
- 性能分析
- 優點
- 支持隨機訪問
- 存取速度快
- 適用一次性寫入操作
- 例子：文件中偏移位12321位置的數據（塊大小為4KB）
- Q= [ 12321 / 4KB ] = 3 R=33
- 讀入塊號b = Q + 起始塊 = 3 + 6 = 9
- 缺點
- 浪費空間（小空間無法分配）
- 文件不能動態增長（文件A）
- 不利于文件的插入和刪除（需要移動數據）
- 優點
- 連續分配的改進
- 改進的連續分配方案
- 基于擴展的文件系統（局部連續）
- 擴展是一組連續的磁盤塊集合
- 擴展在文件分配時被分配
- 一個文件可能包含一個或多個擴展
- 需要一個指向下一個擴展的指針
-
鏈接分配
- 離散物理塊分配方式
- 連接分配
- 索引分配
- 鏈接分配
- 文件信息存放在若干個不連續物理塊中
- 文件的所有物理塊通過指針鏈接成鏈表結構
- 分類
- 顯示鏈接
- 隱式鏈接
- 離散物理塊分配方式
-
隱式鏈接
- 鏈表的指針隱藏在物理塊中
- 每個物理塊中的指針指向下一個物理塊
- FCB給出文件首塊地址
- 文件結束于空指針
- 每個物理塊用于存放文件信息的空間變小
- 減去指針占據的空間
- 4KB物理塊，指針4Bytes：4092Bytes
- 地址映射
- 邏輯地址LA：文件內相對地址（一維）
- 物理地址（B,D）：存在在物理塊中的地址（二維）
- 物理塊大?。篠 指針大?。篜
- 物理地址
- 訪問塊號B = 鏈表中第Q項對應的物理塊塊號
- 塊內偏移D = D
- 性能分析
- 優點
- 可以離散存放，提高磁盤的利用率
- 可以動態擴充文件大小
- 便于文件的插入和刪除操作
- 缺點
- 無法實現隨機訪問，訪問文件慢（訪問第i塊，需要把0-（i-1）塊都讀入）
- 可靠性差
- 優化方法：多塊集合成組
- 優點
-
顯示鏈接
- 隱式鏈接的問題
- 指針分散存放
- 為了讀到一個指針而讀入整個物理塊
- 顯示鏈接
- 指針集中存放
- 把所有指針存放在一張鏈接表
- 大大提高了檢索速度
- 先訪問鏈接表，再訪問物理塊
- 鏈接表一般在文件系統裝載時裝入內存
- 鏈接表大小
- 表項16位：最大2^16 * 2Bytes = 128KB
- 表項32位：最大2^32 * 4Bytes = 16GB
- 不適合大容量磁盤
- 如4TB磁盤，物理塊4KB
- 鏈接表大小=(4TB/4KB)*4Bytes = 4GB
- 隱式鏈接的問題
-
顯示鏈接例子：FAT
- FAT文件系統是微軟最早在MS-DOS開始使用的文件系統
- FAT（File Allocation Table）
- FAT12
- FAT16
- FAT32
- FAT64（exFAT）
-
FAT32
- 兩份FAT表
- 每個簇（物理塊）固定為4KB~32KB
- FAT表的表項占據32位
- FAT表最大表項2^32項
- 單個文件不能大于4GB
- FAT32管理的單個最大磁盤空間：4KB*2^32 = 2TB
索引分配
- 解決隱式鏈接分配的指針分配在各個塊里的問題，解決方案是分散的FAT，為每個文件弄一個索引表
- 多級索引
- 大文件無法用單級索引實現
- 訪問塊號B = Q1塊索引的Q2項 塊內偏移 D = R2
空閑空間管理
- 空閑表適用連續分配
- 空閑鏈表的分配是從連表頭摘下適當的空閑塊，回收就是空閑塊加入尾部。
- 優點：不需專用塊存放管理信息，缺點：增加I/O操作，得到連續空間難
- 位示圖：利用二進制一位bit來表示一個塊的使用情況
- 1：盤塊空閑，0：盤塊已分配
- 位示圖需要額外的空間 n=230 / 212 =2 18
