文件系統(tǒng)作用：

• 能夠存儲大量信息
• 使用信息的進(jìn)程終止時桐玻，信息仍然存在
• 必須能使多個進(jìn)程并發(fā)存取有關(guān)信息

文件

文件一種抽象機(jī)制篙挽，提供了一種在磁盤上保留信息而且以后方便讀取的方法。

• 文件命名

  • 文件具體的命名規(guī)則在各個系統(tǒng)中是不同的镊靴，不過所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)都允許用1至8個字母組成的字符串作為合法文件名铣卡。通常文件名中也允許有數(shù)字和一些特殊字符链韭。許多文件系統(tǒng)支持長達(dá)255個字符的文件名。

  • 有的文件系統(tǒng)區(qū)分文件名大小寫煮落，有的不區(qū)分敞峭。UNIX是前一類，MS-DOS是后一類蝉仇。

  • 文件擴(kuò)展名用于表示文件的某些信息旋讹。在某些操作系統(tǒng)（如UNIX）只是有一種約定，不限制使用轿衔；在某些操作系統(tǒng)（如windows）則賦予擴(kuò)展名含義沉迹，可以在操作系統(tǒng)中注冊擴(kuò)展名。

• 文件結(jié)構(gòu)

  • 字節(jié)序列

    • 操作系統(tǒng)所見的就是字節(jié)害驹，任何含義只在用戶程序中解釋鞭呕。
    • Unix和Winodws都是用這種方式。

  • 記錄序列

    • 約定固定字節(jié)為一記錄
    • 讀寫以記錄為單位
    • 現(xiàn)在已不使用

  • 樹

    • 類似B樹

      
      
      image

• 文件類型

  • 塊特殊文件
    • 用于磁盤設(shè)備
  • 字符特殊文件
    • 用于串行I/O設(shè)備宛官，如打印機(jī)葫松，網(wǎng)絡(luò)等等
  • 目錄
    • 用于管理文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)文件
  • 普通文件
    • ASCII文件
      • 由多行正文組成
      • 每行由回車符或換行符結(jié)束（取決于操作系統(tǒng)）
      • 優(yōu)勢：可以顯示和打印
      • 使用公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)（ASCII碼），可以更易于實現(xiàn)進(jìn)程間通信
    • 二進(jìn)制文件
      • 單純的二進(jìn)制序列
      • 內(nèi)部結(jié)構(gòu)由使用該文件的用戶程序來解釋
      • 例子如下：

image

• 文件存取

  • 順序存取
    • 從頭開始按順序讀取文件的全部字節(jié)
  • 隨機(jī)存取
    • 用seek操作設(shè)定當(dāng)前位置后在進(jìn)行順序讀取底洗。

• 文件屬性

  
  
  image

目錄

• 層次目錄系統(tǒng)

  • 幾乎所有現(xiàn)代文件系統(tǒng)都是用這個方式組織的

    
    
    image

• 路徑名

  • 絕對路徑
    • 以分割符開頭
  • 相對路徑
    • 從工作目錄開始

    • "."代表當(dāng)前目錄腋么，".."代表父目錄。

      
      
      image

文件系統(tǒng)實現(xiàn)

• 文件系統(tǒng)布局

  • 文件系統(tǒng)存在于磁盤枷恕。磁盤劃分為一個或多個分區(qū)党晋，每個分區(qū)都有一個獨立的文件系統(tǒng)。

  • 磁盤的0號扇區(qū)是主引導(dǎo)記錄（Master Boot Record徐块，MBR）未玻；MBR之后是分區(qū)表，記錄每個分區(qū)的起始和結(jié)束地址胡控。

  • 在計算機(jī)被引導(dǎo)的時候

    • BIOS讀入并執(zhí)行MBR扳剿。
    • MBR做的第一件事是確定活動分區(qū)，讀入它的第一個塊昼激，叫做引導(dǎo)塊(boot block)庇绽，并執(zhí)行之。
    • 引導(dǎo)塊中的程序?qū)⒀b載該分區(qū)中的操作系統(tǒng)橙困。
    • 為了統(tǒng)一起見瞧掺，所有分區(qū)的開始都是引導(dǎo)塊，即使沒有操作系統(tǒng)凡傅。

image

文件的實現(xiàn)

記錄各個文件分別用到了哪些磁盤塊

• 連續(xù)分配

  • 把文件作為連續(xù)的數(shù)據(jù)塊記錄在磁盤上

  • 優(yōu)點：實現(xiàn)簡單辟狈，只需記錄文件的磁盤地址和文件的塊數(shù)；讀操作性能好，因為數(shù)據(jù)塊連續(xù)分配哼转，只有一次尋道和旋轉(zhuǎn)延遲明未。

  • 缺點：易產(chǎn)生磁盤碎片。
    解決方法：

    • 磁盤壓縮壹蔓；代價太大
    • 維護(hù)一個空閑塊鏈表趟妥；需要知道文件的最終大小
      
      image

• 鏈表分配

  • 使用鏈表記錄磁盤塊

  • 優(yōu)點：可以充分利用磁盤塊,不會產(chǎn)生磁盤碎片

  • 缺點：隨機(jī)讀取慢，需要遍歷整個鏈表

    
    
    image

• 內(nèi)存中采用鏈表分配

  • 將鏈表的指針取出來佣蓉，組成一個數(shù)組（文件分配表披摄，F(xiàn)AT），放在內(nèi)存偏螺。

  • 優(yōu)點：遍歷鏈表無需產(chǎn)生磁盤I/O行疏，隨機(jī)讀取更快。

  • 缺點：表放在內(nèi)存，占用太多空間朝墩，不適合大磁盤嫂伞。

    
    
    image)F.png

• i節(jié)點

  • 給每個文件分配一個i節(jié)點，其中列出了文件屬性和文件塊的磁盤地址板熊。

  • 只有對應(yīng)文件打開，i節(jié)點才在內(nèi)存。

  • FAT大小取決于磁盤塊的數(shù)量柳譬，而i節(jié)點的大小僅僅取決于文件所占磁盤塊的數(shù)量，所以占內(nèi)存大小大大減小了续镇。

    
    
    image

目錄的實現(xiàn)

• 打開文件時美澳，操作系統(tǒng)根據(jù)用戶給出的路徑名找到相應(yīng)的目錄項，目錄項提供了查找文件磁盤塊所需要的信息摸航。
  該信息可能是整個文件的磁盤地址制跟，或i節(jié)點。
  如下圖：

  
  
  image

• 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大多支持可變的可變長度的長文件名酱虎，實現(xiàn)方法有下面三種：

  • 最簡單的固定一個255字節(jié)的文件名雨膨，很浪費空間不考慮。
  • 保存每個文件名的長度读串。如下圖a

  • 在堆中存儲文件名聊记，目錄項保留指向文件名的指針。如下圖b

    
    
    image

• 查找文件名

  • 使用散列表
    • 查找速度快
    • 需要維護(hù)散列表恢暖，管理復(fù)雜排监，所以只有在文件數(shù)量大的目錄項才使用
  • 使用高速緩存
    • 只有訪問集中在少量的文件才有效。

共享文件

• 硬鏈接

  • 目錄指向i節(jié)點,并計數(shù)

  • 只有當(dāng)計數(shù)被置為0的時候杰捂，才真正被刪除舆床。

• 軟連接(符號連接)

  • 創(chuàng)建一個類型為LINK的文件，并把該文件放在B下琼娘。
    • 里面存儲了實際的 連接文件位置
  • 訪問文件峭弟，需要額外的開銷

image

日志文件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

• 因為高速緩存的存在附鸽，對磁盤的讀操作比較少，寫操作比較多瞒瘸。
• 磁盤的寫操作耗時大坷备，存在尋道和旋轉(zhuǎn)延遲。
• 對磁盤的寫操作大多是零散的情臭。

由于上面的三個原因省撑，發(fā)展出了日志文件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，將零散的寫操作記錄在日志中俯在，每隔一段時間再統(tǒng)一進(jìn)行磁盤寫操作竟秫，節(jié)省尋道和旋轉(zhuǎn)延遲。

日志文件系統(tǒng)

• 將磁盤操作寫入日志中跷乐，當(dāng)系統(tǒng)崩潰再啟動時肥败，根據(jù)日志運行所有未完成的操作。
• 寫入磁盤的操作必須是冪等的愕提，即無論重復(fù)多少次馒稍，結(jié)果都不會變。

虛擬文件系統(tǒng)

• 使用虛擬文件系統(tǒng)（VFS）將多個文件系統(tǒng)整合到一起浅侨。
• 只要一個文件系統(tǒng)提供了VFS的功能調(diào)用接口纽谒，就可以整合到VFS。

image