• 文件系統(tǒng)

  • 在存儲設(shè)備上組織文件的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  • 操作系統(tǒng)中負責(zé)管理和存儲文件信息的模塊
  • 系統(tǒng)角度
    • 對存儲設(shè)備的空間進行組織和分配
    • 負責(zé)文件檢索、讀寫等操作
    • 目標：存取速度和存儲空間效率
  • 用戶角度
    • 提供按名存取的文件訪問機制
    • 文件的組織管理
    • 目標：方便的文件存取機制

• 文件系統(tǒng)的層次架構(gòu)

  • I/O控制
    • 設(shè)備驅(qū)動程序
    • 中斷
  • 設(shè)備驅(qū)動程序
    • 控制I/O設(shè)備運行
    • 向硬件控制器發(fā)送專門控制命令
    • 操作系統(tǒng)通過設(shè)備驅(qū)動程序控制設(shè)備
  • 基本文件系統(tǒng)
    • 物理塊讀寫
    • 向設(shè)備驅(qū)動程序發(fā)送控制命令，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，文件句柄
    • 管理FCB
    • 存儲保護

• 文件系統(tǒng)實現(xiàn)

  • 物理塊：基本文件讀寫單位
  • 分區(qū)：磁盤分割成若干個獨立的空間個空間稱為分區(qū)
    • 兩大類分區(qū)：主分區(qū)和擴展分區(qū)
    • 主分區(qū)：能夠安裝操作系統(tǒng)的啟動分區(qū)
    • 擴展分區(qū)：不能直接使用，必須分成若干邏輯分區(qū)
  • 卷：磁盤上的邏輯分區(qū)，建立在物理分區(qū)上
    • 一般每個卷可以建立一個文件系統(tǒng)
  • 兩種文件系統(tǒng)
    • 磁盤文件系統(tǒng)
    • 內(nèi)存文件系統(tǒng)
  • 磁盤文件系統(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，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)、空閑塊數(shù)、塊大小等信息
      • UFS：超級塊
      • NTFS：主控文件表
    • 目錄和FCB
    • 用戶文件

• 磁盤文件系統(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)：保存最近訪問的目錄信息
    • 系統(tǒng)打開文件表
    • 進程打開文件表
  • 文件操作需要用到內(nèi)存文件系統(tǒng)
  • 目的：通過緩沖技術(shù)提高文件系統(tǒng)性能、

• 虛擬文件系統(tǒng)

  • 目的：
    • 支持多個文件系統(tǒng)
    • 把多個文件系統(tǒng)整合成一個目錄結(jié)構(gòu)
    • 為用戶屏蔽各個文件系統(tǒng)的差異
  • 虛擬文件系統(tǒng)VFS：
    • 提供了一種面向?qū)ο蟮姆椒▉韺崿F(xiàn)文件系統(tǒng)
    • 為不同類型的文件系統(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)用程序訪問文件的接口
    • 如：open、close、read、write等
  • VFS接口
    • 為各類不同的文件系統(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LAN（或WAN）訪問遠程文件系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)或規(guī)范
  • 好處：節(jié)省存儲空間，實現(xiàn)共享

• CIFS

  • 通用Internet文件系統(tǒng)（Common Internet File System）
  • 在Windows主機之間進行網(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

  • 讀寫存儲設(shè)備的基本單文
    • 文件讀寫操作時，以塊為單位進行讀寫
    • 如：程序需要讀1個字節(jié)，則OS把包含該字節(jié)的一塊讀入
    • 好處：減少讀寫次數(shù)，提高效率
  • 存儲設(shè)備的基本分配單位
    • 以物理塊為單位為文件分配存儲空間
  • 和內(nèi)存的頁面大小相對應(yīng)
    • 頁面大?。?KB
    • 物理塊大?。?KB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
    • 一個邏輯塊存儲在一個物理塊中

• 存儲空間分配方式

  • 連續(xù)分配

• 鏈接分配

• 索引分配

• 物理塊塊號

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

• 連續(xù)分配

  • 每個文件在磁盤上占用一組連續(xù)的物理塊
  • FCB僅需給出：
    • 起始塊號
    • 長度
  • 地址映射
    • 邏輯地址LA：文件內(nèi)相對地址（一維）
    • 物理地址（B,D）：存在在物理塊中的地址（二維）
    • 物理塊大?。篠
    • 物理地址：
      • 訪問塊號B = Q + 起始塊號
      • 塊內(nèi)偏移D
  • 性能分析
    • 優(yōu)點
      • 支持隨機訪問
      • 存取速度快
      • 適用一次性寫入操作
    • 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b = Q + 起始塊 = 3 + 6 = 9
    • 缺點
      • 浪費空間（小空間無法分配）
      • 文件不能動態(tài)增長（文件A）
      • 不利于文件的插入和刪除（需要移動數(shù)據(jù)）
  • 連續(xù)分配的改進
    • 改進的連續(xù)分配方案
    • 基于擴展的文件系統(tǒng)（局部連續(xù)）
      • 擴展是一組連續(xù)的磁盤塊集合
      • 擴展在文件分配時被分配
      • 一個文件可能包含一個或多個擴展
      • 需要一個指向下一個擴展的指針

• 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不連續(xù)物理塊中
    • 文件的所有物理塊通過指針鏈接成鏈表結(jié)構(gòu)
  • 分類
    • 顯示鏈接
    • 隱式鏈接

• 隱式鏈接

  • 鏈表的指針隱藏在物理塊中
  • 每個物理塊中的指針指向下一個物理塊
  • FCB給出文件首塊地址
  • 文件結(jié)束于空指針
  • 每個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，指針4Bytes：4092Bytes
  • 地址映射
    • 邏輯地址LA：文件內(nèi)相對地址（一維）
    • 物理地址（B,D）：存在在物理塊中的地址（二維）
    • 物理塊大?。篠 指針大小：P
    • 物理地址
      • 訪問塊號B = 鏈表中第Q項對應(yīng)的物理塊塊號
      • 塊內(nèi)偏移D = D
  • 性能分析
    • 優(yōu)點
      • 可以離散存放，提高磁盤的利用率
      • 可以動態(tài)擴充文件大小
      • 便于文件的插入和刪除操作
    • 缺點
      • 無法實現(xiàn)隨機訪問，訪問文件慢（訪問第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

  • 隱式鏈接的問題
    • 指針分散存放
    • 為了讀到一個指針而讀入整個物理塊
  • 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
    • 先訪問鏈接表，再訪問物理塊
  • 鏈接表一般在文件系統(tǒng)裝載時裝入內(nèi)存
  • 鏈接表大小
    • 表項16位：最大2^16 * 2Bytes = 128KB
    • 表項32位：最大2^32 * 4Bytes = 16GB
  • 不適合大容量磁盤
    • 如4TB磁盤，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
  • 每個簇（物理塊）固定為4KB~32KB
  • FAT表的表項占據(jù)32位
  • FAT表最大表項2^32項
  • 單個文件不能大于4GB
  • FAT32管理的單個最大磁盤空間：4KB*2^32 = 2TB

索引分配

• 解決隱式鏈接分配的指針分配在各個塊里的問題，解決方案是分散的FAT，為每個文件弄一個索引表
• 多級索引
  • 大文件無法用單級索引實現(xiàn)
  • 訪問塊號B = Q1塊索引的Q2項 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，回收就是空閑塊加入尾部。
  • 優(yōu)點：不需專用塊存放管理信息，缺點：增加I/O操作，得到連續(xù)空間難
• 位示圖：利用二進制一位bit來表示一個塊的使用情況
  • 1：盤塊空閑，0：盤塊已分配
  • 位示圖需要額外的空間 n=230 / 212 =2 18