操作系统文件系统复习

磁盘有效化

一个磁盘要想真正变得有用，一般要按顺序经历以下的过程

• 物理格式化（低级格式化）：一般在磁盘出厂时进行，主要是给磁道划分扇区，排查错误扇区。
• 分区：由软件进行，比如FDISK
• 逻辑格式化（高级格式化）：建立文件系统
• 安装操作系统。

文件

定义

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。
也就是说，文件内容是由信息项组成的。

组成

文件体、文件说明

文件体

文件内容

文件说明

文件存储和管理的相关信息，比如文件名、文件内部标识、文件存储地址、访问权限、访问时间。

文件系统

数据结构

文件控制块(FCB)

定义

保存管理文件所需的所有有关信息（文件属性或元数据）

内容

• 基本信息：文件名、物理位置、文件逻辑结构、文件物理结构
• 访问控制信息：文件所有者、访问权限
• 使用信息：创建时间、上一次修改时间、当前使用信息。

文件逻辑结构

我们用户看到的文件表面上的行文结构，举一个这样的例子：

程序员在写代码时其实考虑的都是文件的逻辑结构，比如顺序文件，索引文件（什么一级索引，多级索引，B树索引，Hash索引都是文件的逻辑结构），也就是程序在写代码时思考如何从文件中读数据时，脑袋里面装的都是文件的逻辑，把文件视为一个整体，一整块的。

比如对于逻辑结构包含索引的文件，程序员写代码时首先会使用c语言的read系统调用读文件中的索引，传入的参数是索引在哪个文件、相对于文件开头多少偏移、多少字节的数据，这些都是在根据文件的逻辑在思考数据的位置。

然后从用户态切换到内核态，操作系统开始根据文件的物理结构来读数据的。

文件物理结构

连续结构

存放图示

存取图示

特点

• 结构简单，开销小
• 支持随机读取，速度快
• 连续存时速度快
• 文件长度不易改变

  所以只适用于文件长度不怎么改变的系统中。
  这种排序使作业访问磁盘时需要的寻道数和寻道时间减少，读取时间可就不见得了。

  串联/链接文件结构

  存放图示

  

  存取图示

  

  特点

• 空间利用率高、较好利用辅存空间
• 文件动态扩充和修改容易
• 顺序存取效率高
• 不能随机访问
• 可靠性较差
• 指针本身占用空间

  也分为显式链接和隐式链接两种，前面的是隐式链接。显式链接就是FAT表。

  索引文件结构

  存放图示

  

  存取图示

  

  注意事项

  查索引文件需要访问内存两次，一次是查索引表、一次是查文件。

  特点

• 集中了链接文件和顺序文件的优点
• 本身带来了更大的系统开销（时间上、内存上）

组织形式

• 链接模式：一个盘块一个索引表、多个索引表链接起来
• 多级索引：将一个大文件的所有索引表（二级索引）的地址放在另一个索引表（一级索引）中
• 综合模式：直接索引方式与间接索引方式结合
  

目录

实现

直接法

目录项＝文件名＋FCB

间接法

目录项＝文件名＋FCB的地址

在这里，FCB的地址叫法也不太合适，因为FCB包含文件名，但显然文件名已经在目录项里了，这里准确的说法是i节点的地址。

直接法会让目录项变得庞大，那么在检索的时候，一个块里面能容纳的目录项就会变少，会导致多次访问磁盘，造成速度下降。
间接法会让目录项变得很小，只有文件名和一个指针，那么在检索的时候，一个块里面能容纳的目录项就会很多，访问一次磁盘就能拿到很多的目录项，提高了性能。

文件名处理

由于实际需要，常常需要支持长文件名。

实现方法

• 在目录项中，将文件名的长度固定为255字符（但显然是不合理的，造成了大量的空间浪费）
• 目录项长度可变：目录项的长度不再固定，随具体存放内容而定。（回收时造成困难）
• 目录项长度固定，把长度不定的文件名统一放在目录文件的末尾

  图示

  

软/硬连接

总览

硬连接

软连接

硬连接可以保证只要仍然有链接，该文件就不会被真正删除。
软连接在真正指向i节点的目录项被删除后（即文件主被删除后），连接都会失效。

文件系统性能

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技术等。

块高速缓存

定义

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。当对文件系统进行操作的时候，如果块在内存内可以直接访问，否则调入后再访问。

组织形式

总结就是一个双向链表，一个哈希表加速访问。
访问一次挂到最后。
替换时记得考虑脏位（是否需要写回）

FCB分解法

适用于直接法存储目录项，将FCB割成两块，小块继续存在远处，大块由小块指针索引。
在这种情况下，如果要访问完整的FCB，需要在找到页目录项后再次访问一次磁盘把剩下的大块找全。

感觉就是间接法的思路，但是不彻底。

FAT12

FAT表项解析簇号

簇号是12位，FAT表是一个整数数组，也就是32位，那么如何对应是一个问题：
3个字节一循环，前8位黏在一起分配，拆开中间8位为两个四位，后四位与前面的8位拼接，后面的8位与前四位拼接。依次循坏……

虚拟文件系统VFS

图示

个人理解，VFS实现了在一个设备上挂载多个文件系统，对外呈现统一的接口。