11.文件系統實現

  • 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
  • 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
  • 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、
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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)
    • 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
  • 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
  • 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
  • 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
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