11.文件系统实现
2017-12-12 本文已影响0人
三半俊秀
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文件系统
- 在存储设备上组织文件的方法和数据结构
- 操作系统中负责管理和存储文件信息的模块
- 系统角度
- 对存储设备的空间进行组织和分配
- 负责文件检索、读写等操作
- 目标：存取速度和存储空间效率
- 用户角度
- 提供按名存取的文件访问机制
- 文件的组织管理
- 目标：方便的文件存取机制
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文件系统的层次架构
- I/O控制
- 设备驱动程序
- 中断
- 设备驱动程序
- 控制I/O设备运行
- 向硬件控制器发送专门控制命令
- 操作系统通过设备驱动程序控制设备
- 基本文件系统
- 物理块读写
- 向设备驱动程序发送控制命令，例如read drive 1
- 文件组织模块
- 管理文件、逻辑块和物理块
- 把文件的逻辑地址转换为物理地址
- 管理空闲空间
- 为文件分配物理块
- 逻辑文件系统
- 管理文件系统中的元数据（除了文件数据外的所有结构数据）
- 文件按名存取
- 文件目录组织管理
- 把文件名转换为文件ID，文件句柄
- 管理FCB
- 存储保护
- I/O控制
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文件系统实现
- 物理块：基本文件读写单位
- 分区：磁盘分割成若干个独立的空间个空间称为分区
- 两大类分区：主分区和扩展分区
- 主分区：能够安装操作系统的启动分区
- 扩展分区：不能直接使用，必须分成若干逻辑分区
- 卷：磁盘上的逻辑分区，建立在物理分区上
- 一般每个卷可以建立一个文件系统
- 两种文件系统
- 磁盘文件系统
- 内存文件系统
- 磁盘文件系统结构
- 引导控制块：包含了系统引导操作系统的各种信息，只有安装操作系统的分区才有
- UFS：引导块
- NTFS:分区引导扇区
- 分区控制块：包含分区信息
- 总的块数、空闲块数、块大小等信息
- UFS：超级块
- NTFS：主控文件表
- 目录和FCB
- 用户文件
- 引导控制块：包含了系统引导操作系统的各种信息，只有安装操作系统的分区才有
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磁盘文件系统
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内存文件系统
- 包括：
- 分区表：所有安装分区信息
- 目录缓冲结构：保存最近访问的目录信息
- 系统打开文件表
- 进程打开文件表
- 文件操作需要用到内存文件系统
- 目的：通过缓冲技术提高文件系统性能、
- 包括：
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虚拟文件系统
- 目的：
- 支持多个文件系统
- 把多个文件系统整合成一个目录结构
- 为用户屏蔽各个文件系统的差异
- 虚拟文件系统VFS：
- 提供了一种面向对象的方法来实现文件系统
- 为不同类型的文件系统提供了接入VFS的接口
- 为用户提供了统一的系统调用接口
- 文件系统接口
- 统一的应用程序访问文件的接口
- 如：open、close、read、write等
- VFS接口
- 为各类不同的文件系统定义VFS接口
- 符合该接口的文件系统都可以接入VFS
- 目的：
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网络文件系统：NFS
- 用于通过LAN（或WAN）访问远程文件系统的软件系统的实现或规范
- 好处：节省存储空间，实现共享
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CIFS
- 通用Internet文件系统（Common Internet File System）
- 在Windows主机之间进行网络文件共享
- CIFS使用客户/服务器模式
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常用文件系统
- Windows
- FAT（File Allocation Table）
- NTFS（ New Technology File System ）
- ReFS （Resilient File System）
- Linux
- Ext
- Mac OS
- HFS
- CD
- CDFS
- Windows
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物理块
- 读写存储设备的基本单文
- 文件读写操作时，以块为单位进行读写
- 如：程序需要读1个字节，则OS把包含该字节的一块读入
- 好处：减少读写次数，提高效率
- 存储设备的基本分配单位
- 以物理块为单位为文件分配存储空间
- 和内存的页面大小相对应
- 页面大小：4KB
- 物理块大小：4KB的倍数
- 读写存储设备的基本单文
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逻辑块
- 逻辑块：在文件空间中的块
- 大小和物理块一致
- 一个逻辑块存储在一个物理块中
- 逻辑块：在文件空间中的块
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存储空间分配方式
- 连续分配
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链接分配
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索引分配
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物理块块号
- 一维空间
- 从0开始编号
- 可以根据物理设备的特性进行转换
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连续分配
- 每个文件在磁盘上占用一组连续的物理块
- FCB仅需给出：
- 起始块号
- 长度
- 地址映射
- 逻辑地址LA：文件内相对地址（一维）
- 物理地址（B,D）：存在在物理块中的地址（二维）
- 物理块大小：S
- 物理地址：
- 访问块号B = Q + 起始块号
- 块内偏移D
- 性能分析
- 优点
- 支持随机访问
- 存取速度快
- 适用一次性写入操作
- 例子：文件中偏移位12321位置的数据（块大小为4KB）
- Q= [ 12321 / 4KB ] = 3 R=33
- 读入块号b = Q + 起始块 = 3 + 6 = 9
- 缺点
- 浪费空间（小空间无法分配）
- 文件不能动态增长（文件A）
- 不利于文件的插入和删除（需要移动数据）
- 优点
- 连续分配的改进
- 改进的连续分配方案
- 基于扩展的文件系统（局部连续）
- 扩展是一组连续的磁盘块集合
- 扩展在文件分配时被分配
- 一个文件可能包含一个或多个扩展
- 需要一个指向下一个扩展的指针
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链接分配
- 离散物理块分配方式
- 连接分配
- 索引分配
- 链接分配
- 文件信息存放在若干个不连续物理块中
- 文件的所有物理块通过指针链接成链表结构
- 分类
- 显示链接
- 隐式链接
- 离散物理块分配方式
-
隐式链接
- 链表的指针隐藏在物理块中
- 每个物理块中的指针指向下一个物理块
- FCB给出文件首块地址
- 文件结束于空指针
- 每个物理块用于存放文件信息的空间变小
- 减去指针占据的空间
- 4KB物理块，指针4Bytes：4092Bytes
- 地址映射
- 逻辑地址LA：文件内相对地址（一维）
- 物理地址（B,D）：存在在物理块中的地址（二维）
- 物理块大小：S 指针大小：P
- 物理地址
- 访问块号B = 链表中第Q项对应的物理块块号
- 块内偏移D = D
- 性能分析
- 优点
- 可以离散存放，提高磁盘的利用率
- 可以动态扩充文件大小
- 便于文件的插入和删除操作
- 缺点
- 无法实现随机访问，访问文件慢（访问第i块，需要把0-（i-1）块都读入）
- 可靠性差
- 优化方法：多块集合成组
- 优点
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显示链接
- 隐式链接的问题
- 指针分散存放
- 为了读到一个指针而读入整个物理块
- 显示链接
- 指针集中存放
- 把所有指针存放在一张链接表
- 大大提高了检索速度
- 先访问链接表，再访问物理块
- 链接表一般在文件系统装载时装入内存
- 链接表大小
- 表项16位：最大2^16 * 2Bytes = 128KB
- 表项32位：最大2^32 * 4Bytes = 16GB
- 不适合大容量磁盘
- 如4TB磁盘，物理块4KB
- 链接表大小=(4TB/4KB)*4Bytes = 4GB
- 隐式链接的问题
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显示链接例子：FAT
- FAT文件系统是微软最早在MS-DOS开始使用的文件系统
- FAT（File Allocation Table）
- FAT12
- FAT16
- FAT32
- FAT64（exFAT）
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FAT32
- 两份FAT表
- 每个簇（物理块）固定为4KB~32KB
- FAT表的表项占据32位
- FAT表最大表项2^32项
- 单个文件不能大于4GB
- FAT32管理的单个最大磁盘空间：4KB*2^32 = 2TB
索引分配
- 解决隐式链接分配的指针分配在各个块里的问题，解决方案是分散的FAT，为每个文件弄一个索引表
- 多级索引
- 大文件无法用单级索引实现
- 访问块号B = Q1块索引的Q2项 块内偏移 D = R2
空闲空间管理
- 空闲表适用连续分配
- 空闲链表的分配是从连表头摘下适当的空闲块，回收就是空闲块加入尾部。
- 优点：不需专用块存放管理信息，缺点：增加I/O操作，得到连续空间难
- 位示图：利用二进制一位bit来表示一个块的使用情况
- 1：盘块空闲，0：盘块已分配
- 位示图需要额外的空间 n=230 / 212 =2 18
