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文件系统是操作系统中管理持久性数据的子系统#xff0c;提供数据存储和访问功能#xff0c;组织、检索、读写访问数据。文件是具有符号名#xff0c;由字节序列构成的数据项集合#xff0c;是文件系统的基本数据单位#xff0c;文件名是文件…文件系统和文件
文件系统是操作系统中管理持久性数据的子系统提供数据存储和访问功能组织、检索、读写访问数据。文件是具有符号名由字节序列构成的数据项集合是文件系统的基本数据单位文件名是文件的标识符号。
文件系统功能
分配文件磁盘空间管理文件块位置和顺序、管理空闲空间位置、分配算法策略管理文件集合Ⅰ、定位文件及其内容Ⅱ、命名通过名字找到文件Ⅲ、文件系统结构文件组织方式数据可靠和安全安全多层次保护数据可靠持久保存文件避免系统崩溃、媒体错误、网络攻击等
文件属性
名称、类型、位置、大小、保护、创建者、创建时间、最近修改时间等文件头文件系统元数据中的文件信息
文件描述符
文件访问方式进程访问文件数据前必须先打开文件
内核跟踪进程打开的所有文件操作系统为每个进程维护一个打开文件表文件描述符是打开文件的标识即 文件描述符是操作系统在打开文件表中维护的打开文件状态和信息其中包括
文件指针a. 最近一次读写位置b.每个进程分别维护自己的打开文件指针 文件打开计数a. 被打开文件当前被打开的次数b. 最后一个进程关闭文件时将其从打开文件表中移除文件磁盘位置缓存数据访问信息 访问权限a. 每个进程的文件访问模式只读、可写等
文件的用户视图和系统视图
文件的用户视图持久的数据结构系统访问接口a.字节序列的集合UNIXb. 系统不关心存储在磁盘上的数据结构应用程序应该关心。操作系统内部视角 a.数据块的集合b.块是逻辑存储单元而扇区是物理存储单元c. 块大小与扇区大小可以不相等通常是几个扇区构成一个数据块
用户视图到系统视图的转换
进程读文件a. 获取字节所在的数据块b. 返回数据块内对应内容进程写文件a. 获取数据块b. 修改数据块中对应内容c. 写回数据块文件系统中的基本操作单位是数据块
访问模式
顺序访问按字节顺序一次读取大多数随机访问从中间读写不常用但很重要比如虚拟内存中把内存页存储在文件索引访问依据数据特征索引操作系统通常不提供文正索引访问可以在上面建数据库数据块建立索引内容
文件内部的结构操作系统不关心应用系统打开复杂文件但对操作系统该文件可能很简单
无结构单词、字节的队列 简单记录结构列固定/可变长度 复杂结构格式化文档MS Word, PDF可执行文件
文件共享和访问控制
多用户系统中文件共享是很必要的需要对访问进行控制a. 每个用户能够获得哪些文件的哪些访问权限b. 访问模式读、些、执行、删除、列表等操作系统维护文件访问控制列表ACLa. 每个文件每个用户有哪些权限 用户|组|所有人 读|写|可执行b. 用户识别ID识别用户表明每个用户所允许的权限及保护模式c. 组识别ID允许用户组成组指定组访问权限
语义一致性
规定多进程如何同时访问共享文件:a. 与同步算法相似b. 因磁盘I/O和网络延迟而设计简单1.Unix文件系统UFS语义将一致性问题甩给应用程序去处理a. 对打开文件的写入内容立即对其他打开同一文件的其他用户可见b. 共享文件指针允许多用户同时读取和写入文件2.会话语义a. 写入内容只有当文件关闭时可见3.读写锁
目录
文件以目录的形式组织起来目录是一类特殊的文件目录的内容是文件索引表文件名指向文件的指针目录和文件是树状结构。 目录的操作搜索创建删除枚举重命名在文件系统中遍历一个路径
目录实现
文件名的线性列表包含指向数据块的指针编程简单执行耗时哈希表搜索快速引起冲突长度固定
文件别名
硬链接与软链接
硬链接多个文件项指向一个文件删除到最后一个指向他的文件名时删除实体软链接以快捷方式指向其他文件删除快捷方式不影响实体删除实体则快捷方式无效了
文件目录中的循环 避免方式
只允许到文件的链接不允许到目录的链接增加链接时用循环检测算法确定是否合理实际操作系统中通常限制路径可遍历文件目录的数量超过指定长度停止检索
名字解析路径遍历
名字解析即把逻辑名字转换成物理资源有两种方式
依据路径名在文件系统中找到实际文件位置进程设置当前工作目录从工作目录开始往下解析用相对路径代替绝对路径例子解析“/bin/ls”读取根目录的文件头读取根目录的数据块搜索bin“项读取bin的文件头读取bin的数据块搜索ls项读取ls的文件头。
文件系统挂载
文件系统需要先挂载才能被访问未挂载的文件系统被挂载到挂载点上才能被找到。
文件系统种类
磁盘文件系统a. 文件存储在数据存储设备上如磁盘b. 例如FAT、NTFS、ext2/3ISO9660等数据块文件系统a. 文件特征可悲寻址b. 例如WinFS日志文件系统a. 记录文件系统的修改/事件网络/分布式文件系统a. 例如NFSSMBAFSGFS。 b. 文件可以通过网络被共享文件位于远程服务器客户端远程挂载服务器文件系统标准系统文件访问被转换成远程访问要有标准文件共享协议。c. 面临更多挑战例如客户端用户辨别、一致性问题、错误处理模式。
文件系统的实现
分层结构虚拟文件系统VFSVirtual File System)、特定文件系统模块 虚拟文件系统
虚拟文件系统的提出是为了面对多种不同的文件系统对上提供一种统一的接口。
目的 1.对所有不同文件系统的抽象 功能 1.提供相同的文件和文件系统接口对上 2.管理所有文件和文件系统关联的数据结构 3.高效查询历程遍历文件系统 4.与特定文件系统模块的交互对下
文件系统基本数据结构
1.文件卷控制块Unixsuperblock a. 每个文件系统一个 b. 文件系统详细信息 c. 块、块大小、空余块、计数/指针等
2.文件控制块Unixvnode || inode a. 每个文件一个 b. 文件详细信息 c. 访问权限、拥有者、大小、数据块位置等
3.目录项Linuxdentry a. 每个目录项一个目录和文件 b. 将目录项数据结构及树形布局编码成树形数据结构 c. 指向文件控制块、父目录、子目录等
上述数据结构需要持久存储在外存中当需要时加载进内存 1.卷控制块当文件系统挂载时进入内存 2.文件控制块当文件被访问时加载进内存 3.目录项便利一个文件路径时进入内存
文件缓存与打开文件 多个位置都存在磁盘缓存操作系统主要讨论内存中的数据块缓存。
数据块缓存
1.数据块按需存入内存 a. 提供read()操作 b. 预读预先读取后面的数据块
2.数据块使用后被缓存 a. 假设数据将会再次用到 b. 写操作可能被缓存和延迟写入
3.两种数据块缓存方式 a. 数据块缓存 b. 页缓存同一缓存数据块和内存页 打开文件的数据结构 每个被打开的文件都有一个文件描述符包含了文件状态信息目录项、当前文件指针、文件操作设置等 每个进程管理一个进程打开文件表系统还维护一个系统级的打开文件表有文件打开时文件卷就不能被卸载。
打开文件锁
有了打开文件表文件系统可以提供打开文件锁用于协调多进程的文件访问 1.强制根据锁保持情况和访问需求确定是否拒绝访问 2.劝告进程可以查找锁的状态来决定怎么做
文件大小 大多数文件都很小: a. 需要对小文件提供很好的支持 b. 块空间不能太大 一些非常大的文件 a. 必须支持大文件64位文件偏移 b. 大文件访问必须高效
文件分配 本质是如何表示分配给一个文件数据块的位置和顺序 分配方式 a. 连续分配 文件头指定起始块和长度 分配策略最佳匹配、最先匹配 优点是文件读取表现好高效的顺序和随机访问缺点是碎片文件增长问题文件增大时的策略比较棘手 b. 链式分配 文件以数据库链表方式存储 文件头包含了到第一块和最后一块的指针 优点是创建、增大、缩小都很容易没有碎片但是随机访问无法实现效率低。可靠性较差一个链被破坏后面的数据块就丢失了。 c. 索引分配 为每个文件创建一个索引数据块指向文件数据块的指针列表 文件头包含了索引数据块指针 优点是创建、增大、缩小容易没有碎片支持直接访问缺点是文件很小时存储索引开销大大文件索引块可能大小不够。 指标 a. 存储效率外部碎片等 b. 读写性能访问速度 实际文件系统中通常几种方式组合应用例如对大文件索引块使用链表组织多级索引。 空闲空间管理 空闲空间管理是指跟踪记录文件卷中未分配的数据块。
空闲空间组织方式 1.位图法使用简单但大磁盘需要一个很大的向量表记录空闲空间。 2.链表法 3.链式索引 典型的磁盘文件系统组织
分区硬盘磁盘的一种适合操作系统指定格式的划分
文件卷一个拥有一个文件系统实例的可访问的外存空间 冗余磁盘阵列RAID 希望使用多磁盘改善吞吐量、可靠性和可用性以提高性能。如RAID0RAID1RAID4。
冗余磁盘阵列的实现 1.软件操作系统内核的文件卷管理 2.硬件RAID硬件控制器I/O
RAID0磁盘条带化 把数据块分成多个子块存储在独立的磁盘中通过独立磁盘上并行访问数据块提供更大的磁盘带宽
RAID1磁盘镜像 同时向两个磁盘写入相同的数据可靠性成倍增长读取性能线性提升
RAID4带校验的磁盘条带化 数据块级的磁盘条带化加专用奇偶校验磁盘一个磁盘专用于奇偶校验允许只有一个磁盘发生故障时进行数据恢复
RAID5带分布式校验的磁盘条带化 数据块的校验和不单独存放在固定的一个磁盘中而是分布在多个磁盘中减少对RAID4中奇偶校验磁盘的读写压力
RAID6每组条带有两个冗余块允许两个磁盘出错
