一、文件系统实例（FAT）

1.1 Windows的FAT16文件系统

• 簇（块）大小：1、2、4、8、16、32或64扇区
• 文件系统的数据记录在“引导扇区”中
• 文件分配表FAT的作用
  描述簇的分配状态、标注下一簇的簇号等
• FAT表项：2字节（16位）
• 目录项：32字节

• 根目录大小固定

  
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1.2 FAT文件系统：主引导记录（Main Boot Record，MBR）

• 主引导记录
  一般放在零号扇区中

  
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1.3 FAT文件系统：分区引导扇区（Dos Boot Record，DBR）

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说明：这里是以FAT32为例。

1.4 引导扇区（BIOS参数块）

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说明：这里我们看BIOS参数块，也是以FAT32为例。

1.5 引导扇区（扩展BIOS参数块EBPB）

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1.6 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。
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1.7 FAT16目录项

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说明：在前面讲过，UNIX系统中i节点加上目录项就是FCB，而在FAT文件系统中FCB就等于目录项。32个字节没有用完，没用完的保留。

1.8 FAT32文件系统

• 在FAT32中，根目录区（BOOT区）不是固定区域、固定大小，而是数据区的一部分，采用与子目录文件相同的管理方式
• 目录项仍占32字节，但分为各种类型（包括：“.”目录项、“..”目录项、短文件名目录项、长文件名目录项、卷标项（根目录）、已删除目录项（第一字节为0xE5）等）
• 支持长文件名格式
• 支持Unicode

• 不支持高级容错特性，不具有内部安全特性

  
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1.9 FAT32目录项

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说明：这是一个基本的目录项。

1.10 一般长文件名的实现方式

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说明：左边的实现是目录项的长度不固定。第一个字段给出目录项的长度，然后把固定长度的属性记录在其后，再才是文件名，因为文件名的长度是不一样的，留出足够的空间给文件名。缺点就是一个文件删除时，就留出了一块空间，而这个空间可能不能放下其他文件，这样就会产生碎片。右边的实现是由于文件名的长度不固定，所以我们希望每个目录项的大小是固定的，其中包含了一个指向文件名起始地址的指针，然后是文件的相关属性，所有的文件名都存放在另一个区域（堆）。

1.11 FAT32中长文件名目录项格式

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说明：其中有三处地方分别记录了文件名。前5个字符（采用的是Unicode编码，则两个字节代表一个字符）保存文件名的前5个字符，于是一共可以保存13个字符。如果一个长文件名目录项不够，则需要用第二个。在第一个字段中第6位来记录是否是最后一个目录项。下面看一个例子，文件名为The quick brown.fox，采用Unicode编码。
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说明：其实这样一个文件占用了三个目录项。第一个目录项就是短文件名目录项，后面的两个目录项主要保存文件名。再看一个更长的文件名文件例子：
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说明：这里的文件名更长，需要占用五个目录项。

二、文件操作的实现

这里主要是以UNIX操作系统为例。

2.1 文件操作的实现

• 创建文件
  建立系统与文件的联系，实质是建立文件的FCB

  • 在目录中为新文件建立一个目录项（在UNIX中还需要i节点），根据提供的参数及需要填写相关内容
  • 分配必要的存储空间

• 打开文件
  根据文件名目录中检索，并将该文件的目录项读入内存，建立相应的数据结构，为后续的文件操作做好准备。打开文件后一般会返回一个值，这个值一般叫文件描述符或文件句柄，之后的操作是通过文件描述符来进行的。

2.2 文件操作：建立文件

create（文件名，访问权限）

• 1、检查参数的合法性
  例如：文件名是否符合命名规则；有无重名文件，合法则进行下一步，否则报错返回。
• 2、申请空闲目录项，并填写相关内容
• 3、为文件申请磁盘块
• 4、返回

2.3 文件操作：打开文件

为文件读写做准备：给出文件路径名，获得文件句柄（file handler）或文件描述符（file descripter），需将该文件的目录项读到内存fd = open（文件路径名，打开方式）

• 1、根据文件路径名查目录，找到目录项（或i节点号）
• 2、根据文件号查系统打开文件表，看文件是否已被打开，如果是，则共享计数加一，否则，将目录项（或i节点）等信息填入系统打开文件表空表项，共享计数置为一。
• 3、根据打开方式、共享说明和用户身份检查访问合法性
• 4、在用户打开文件表中获取一空表项，填写打开方式等，并指向系统打开文件表对应表项，返回信息：fd（文件描述符，是一个非负整数，用于以后读写文件）

2.4 文件操作：指针定位

seek（fd， 新指针位置）：系统为每个进程打开的每个文件维护一个读写指针，即相对于文件开头的偏移地址（读写指针指向每次文件读写的开始位置 ，在每次读写完成后，读写指针按照读写的数据量自动后移相应的数值）

• 1、由fd查用户打开文件表，找到对应的表项
• 2、将用户打开文件表中文件读写指针位置设为新指针的位置，供后继读写命令存取该指针处文件内容。

2.5 文件操作：读文件

read（文件描述符，读指针，要读的长度，内存目的地址）

• 1、根据打开文件时得到的文件描述符，找到相应的文件控制块（目录项），确定读操作的合法性，读操作合法则进行下一步，否则出错处理。
• 2、将文件的逻辑块号转换为物理块号。根据参数中的读指针、长度与文件控制块中的信息，确定块号、块数、块内位移
• 3、申请缓冲区
• 4、启动磁盘I/O操作，把磁盘块中的信息读入缓冲区，再送到指定的内存区（多次读盘）
• 5、反复执行3、4直至读出所需数量的数据或读至文件尾

三、文件系统的管理

3.1 文件系统的可靠性

可靠性：抵御和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力

• 块坏问题
• 备份
  通过转储操作，形成文件或文件系统的多个副本。

3.2 文件系统备份

• 全量转储
  定期将所有文件拷贝到后援存储器
• 增量转储
  只转储修改过的文件，即两次备份之间的修改。减少系统开销。
• 物理转储
  从磁盘第零块开始，将所有磁盘块按序输出到磁带
• 逻辑转储
  从一个或几个指定目录开始，递归地转储子给定日期后所有更改的文件和目录

3.3 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

• 解决方案
  设计一个使用程序，当系统再次启动时，运行该程序，检查磁盘块和目录系统

3.4 磁盘块的一致性检查

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说明：：一致性检查时，检查所有的文件和空闲块，检查完之后可能会出现四种结果。第一种是一个一致性的结果，即某个磁盘块要么分配给了某个文件，要么在空闲块中。第二种结果是在空闲块中找不到，但是也没有分配给某个文件，于是我们通过在空闲块表中将磁块标记为一来解决。第三种结果是某个磁盘块在空闲块表中出现了两次，同样是不合理的，对这一位进行修改。最后一种结果是在两个文件中出现，这种情况较为复杂，我们应该在空闲块中找一个，然后将其中一个磁盘块内容拷贝到这个空闲块中，然后将使用块表中的这一位减一。

3.5 文件系统的写入策略

对某些文件做出了修改，那么什么时候将修改后的内容写入到文件中。这里需要考虑文件系统一致性和速度。下面有几种写入策略

• 通写（write-through）
  内存中的修改立即写到磁盘。缺点是速度性能差，如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。其缺点就是可恢复性较差，可能会导致信息丢失
• 可恢复写（tansaction 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，如NTFS