OS学习笔记六：文件系统

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

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

先来先 服务(FCFS)最短寻道时间 优先(Shortest Seek Time First)扫描 算法SCAN （ 电梯算法）单向扫描调度算法C-SCANN-step-SCAN 策略FSCAN 策略旋转调度算法

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

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作者：jiankunking ​

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