• 文件系統(tǒng)

  • 在存儲(chǔ)設(shè)備上組織文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  • 操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理和存儲(chǔ)文件信息的模塊
  • 系統(tǒng)角度
    • 對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備的空間進(jìn)行組織和分配
    • 負(fù)責(zé)文件檢索奶镶、讀寫(xiě)等操作
    • 目標(biāo)：存取速度和存儲(chǔ)空間效率
  • 用戶角度
    • 提供按名存取的文件訪問(wèn)機(jī)制
    • 文件的組織管理
    • 目標(biāo)：方便的文件存取機(jī)制

• 文件系統(tǒng)的層次架構(gòu)

  • I/O控制
    • 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
    • 中斷
  • 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
    • 控制I/O設(shè)備運(yùn)行
    • 向硬件控制器發(fā)送專(zhuān)門(mén)控制命令
    • 操作系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制設(shè)備
  • 基本文件系統(tǒng)
    • 物理塊讀寫(xiě)
    • 向設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送控制命令居凶，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(zhuǎn)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(tǒng)
    • 管理文件系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)（除了文件數(shù)據(jù)外的所有結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)）
    • 文件按名存取
    • 文件目錄組織管理
    • 把文件名轉(zhuǎn)換為文件ID毁欣，文件句柄
    • 管理FCB
    • 存儲(chǔ)保護(hù)

• 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

  • 物理塊：基本文件讀寫(xiě)單位
  • 分區(qū)：磁盤(pán)分割成若干個(gè)獨(dú)立的空間個(gè)空間稱(chēng)為分區(qū)
    • 兩大類(lèi)分區(qū)：主分區(qū)和擴(kuò)展分區(qū)
    • 主分區(qū)：能夠安裝操作系統(tǒng)的啟動(dòng)分區(qū)
    • 擴(kuò)展分區(qū)：不能直接使用，必須分成若干邏輯分區(qū)
  • 卷：磁盤(pán)上的邏輯分區(qū)，建立在物理分區(qū)上
    • 一般每個(gè)卷可以建立一個(gè)文件系統(tǒng)
  • 兩種文件系統(tǒng)
    • 磁盤(pán)文件系統(tǒng)
    • 內(nèi)存文件系統(tǒng)
  • 磁盤(pán)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    • 引導(dǎo)控制塊：包含了系統(tǒng)引導(dǎo)操作系統(tǒng)的各種信息枯夜，只有安裝操作系統(tǒng)的分區(qū)才有
      • UFS：引導(dǎo)塊
      • NTFS:分區(qū)引導(dǎo)扇區(qū)
    • 分區(qū)控制塊：包含分區(qū)信息
      • 總的塊數(shù)挺智、空閑塊數(shù)祷愉、塊大小等信息
      • UFS：超級(jí)塊
      • NTFS：主控文件表
    • 目錄和FCB
    • 用戶文件

• 磁盤(pán)文件系統(tǒng)

• 內(nèi)存文件系統(tǒng)

  • 包括：
    • 分區(qū)表：所有安裝分區(qū)信息
    • 目錄緩沖結(jié)構(gòu)：保存最近訪問(wèn)的目錄信息
    • 系統(tǒng)打開(kāi)文件表
    • 進(jìn)程打開(kāi)文件表
  • 文件操作需要用到內(nèi)存文件系統(tǒng)
  • 目的：通過(guò)緩沖技術(shù)提高文件系統(tǒng)性能、

• 虛擬文件系統(tǒng)

  • 目的：
    • 支持多個(gè)文件系統(tǒng)
    • 把多個(gè)文件系統(tǒng)整合成一個(gè)目錄結(jié)構(gòu)
    • 為用戶屏蔽各個(gè)文件系統(tǒng)的差異
  • 虛擬文件系統(tǒng)VFS：
    • 提供了一種面向?qū)ο蟮姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)
    • 為不同類(lèi)型的文件系統(tǒng)提供了接入VFS的接口
    • 為用戶提供了統(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口
  • 文件系統(tǒng)接口
    • 統(tǒng)一的應(yīng)用程序訪問(wèn)文件的接口
    • 如：open、close二鳄、read迫摔、write等
  • VFS接口
    • 為各類(lèi)不同的文件系統(tǒng)定義VFS接口
    • 符合該接口的文件系統(tǒng)都可以接入VFS

• 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)：NFS

  • 用于通過(guò)LAN（或WAN）訪問(wèn)遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)或規(guī)范
  • 好處：節(jié)省存儲(chǔ)空間，實(shí)現(xiàn)共享

• CIFS

  • 通用Internet文件系統(tǒng)（Common Internet File System）
  • 在Windows主機(jī)之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)文件共享
  • CIFS使用客戶/服務(wù)器模式

• 常用文件系統(tǒng)

  • 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(xiě)存儲(chǔ)設(shè)備的基本單文
    • 文件讀寫(xiě)操作時(shí)泥从，以塊為單位進(jìn)行讀寫(xiě)
    • 如：程序需要讀1個(gè)字節(jié)句占，則OS把包含該字節(jié)的一塊讀入
    • 好處：減少讀寫(xiě)次數(shù)，提高效率
  • 存儲(chǔ)設(shè)備的基本分配單位
    • 以物理塊為單位為文件分配存儲(chǔ)空間
  • 和內(nèi)存的頁(yè)面大小相對(duì)應(yīng)
    • 頁(yè)面大星怠：4KB
    • 物理塊大猩春妗：4KB的倍數(shù)

• 邏輯塊

  • 邏輯塊：在文件空間中的塊
    • 大小和物理塊一致
    • 一個(gè)邏輯塊存儲(chǔ)在一個(gè)物理塊中

• 存儲(chǔ)空間分配方式

  • 連續(xù)分配

• 鏈接分配

• 索引分配

• 物理塊塊號(hào)

  • 一維空間
  • 從0開(kāi)始編號(hào)
  • 可以根據(jù)物理設(shè)備的特性進(jìn)行轉(zhuǎn)換

• 連續(xù)分配

  • 每個(gè)文件在磁盤(pán)上占用一組連續(xù)的物理塊
  • FCB僅需給出：
    • 起始?jí)K號(hào)
    • 長(zhǎng)度
  • 地址映射
    • 邏輯地址LA：文件內(nèi)相對(duì)地址（一維）
    • 物理地址（B,D）：存在在物理塊中的地址（二維）
    • 物理塊大小：S
    • 物理地址：
      • 訪問(wèn)塊號(hào)B = Q + 起始?jí)K號(hào)
      • 塊內(nèi)偏移D
  • 性能分析
    • 優(yōu)點(diǎn)
      • 支持隨機(jī)訪問(wèn)
      • 存取速度快
      • 適用一次性寫(xiě)入操作
    • 例子：文件中偏移位12321位置的數(shù)據(jù)（塊大小為4KB）
      • Q= [ 12321 / 4KB ] = 3 R=33
      • 讀入塊號(hào)b = Q + 起始?jí)K = 3 + 6 = 9
    • 缺點(diǎn)
      • 浪費(fèi)空間（小空間無(wú)法分配）
      • 文件不能動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)（文件A）
      • 不利于文件的插入和刪除（需要移動(dòng)數(shù)據(jù)）
  • 連續(xù)分配的改進(jìn)
    • 改進(jìn)的連續(xù)分配方案
    • 基于擴(kuò)展的文件系統(tǒng)（局部連續(xù)）
      • 擴(kuò)展是一組連續(xù)的磁盤(pán)塊集合
      • 擴(kuò)展在文件分配時(shí)被分配
      • 一個(gè)文件可能包含一個(gè)或多個(gè)擴(kuò)展
      • 需要一個(gè)指向下一個(gè)擴(kuò)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(gè)不連續(xù)物理塊中
    • 文件的所有物理塊通過(guò)指針鏈接成鏈表結(jié)構(gòu)
  • 分類(lèi)
    • 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(gè)物理塊中的指針指向下一個(gè)物理塊
  • FCB給出文件首塊地址
  • 文件結(jié)束于空指針
  • 每個(gè)物理塊用于存放文件信息的空間變小
    • 減去指針占據(jù)的空間
    • 4KB物理塊祈餐，指針4Bytes：4092Bytes
  • 地址映射
    • 邏輯地址LA：文件內(nèi)相對(duì)地址（一維）
    • 物理地址（B,D）：存在在物理塊中的地址（二維）
    • 物理塊大欣奚丁：S 指針大小：P
    • 物理地址
      • 訪問(wèn)塊號(hào)B = 鏈表中第Q項(xiàng)對(duì)應(yīng)的物理塊塊號(hào)
      • 塊內(nèi)偏移D = D
  • 性能分析
    • 優(yōu)點(diǎn)
      • 可以離散存放帆阳，提高磁盤(pán)的利用率
      • 可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)充文件大小
      • 便于文件的插入和刪除操作
    • 缺點(diǎn)
      • 無(wú)法實(shí)現(xiàn)隨機(jī)訪問(wèn)哺壶，訪問(wèn)文件慢（訪問(wèn)第i塊，需要把0-（i-1）塊都讀入）
      • 可靠性差
    • 優(yōu)化方法：多塊集合成組

• 顯示鏈接

  • 隱式鏈接的問(wèn)題
    • 指針?lè)稚⒋娣?/li>
    • 為了讀到一個(gè)指針而讀入整個(gè)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(wèn)鏈接表蜒谤，再訪問(wèn)物理塊
  • 鏈接表一般在文件系統(tǒng)裝載時(shí)裝入內(nèi)存
  • 鏈接表大小
    • 表項(xiàng)16位：最大2^16 * 2Bytes = 128KB
    • 表項(xiàng)32位：最大2^32 * 4Bytes = 16GB
  • 不適合大容量磁盤(pán)
    • 如4TB磁盤(pán)山宾，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(tǒng)是微軟最早在MS-DOS開(kāi)始使用的文件系統(tǒng)
  • FAT（File Allocation Table）
    • FAT12
    • FAT16
    • FAT32
    • FAT64（exFAT）

• FAT32

  • 兩份FAT表
  • 每個(gè)簇（物理塊）固定為4KB~32KB
  • FAT表的表項(xiàng)占據(jù)32位
  • FAT表最大表項(xiàng)2^32項(xiàng)
  • 單個(gè)文件不能大于4GB
  • FAT32管理的單個(gè)最大磁盤(pán)空間：4KB*2^32 = 2TB

索引分配

• 解決隱式鏈接分配的指針?lè)峙湓诟鱾€(gè)塊里的問(wèn)題，解決方案是分散的FAT鳍徽，為每個(gè)文件弄一個(gè)索引表
• 多級(jí)索引
  • 大文件無(wú)法用單級(jí)索引實(shí)現(xiàn)
  • 訪問(wèn)塊號(hào)B = Q1塊索引的Q2項(xiàng) 塊內(nèi)偏移 D = R2

空閑空間管理

• 空閑表適用連續(xù)分配
  • 空閑鏈表的分配是從連表頭摘下適當(dāng)?shù)目臻e塊资锰，回收就是空閑塊加入尾部。
  • 優(yōu)點(diǎn)：不需專(zhuān)用塊存放管理信息阶祭，缺點(diǎn)：增加I/O操作绷杜，得到連續(xù)空間難
• 位示圖：利用二進(jìn)制一位bit來(lái)表示一個(gè)塊的使用情況
  • 1：盤(pán)塊空閑，0：盤(pán)塊已分配
  • 位示圖需要額外的空間 n=230 / 212 =2 18