回顾：
1. 设备固有特性带来的挑战
- 由于寻道时间、旋转延迟、传输时间（硬盘驱动器）造成的延迟
- 用于写页的块擦除（SSDs）
2. 两级性能提升：
- 磁盘调度和柱面斜进
- 文件系统实现
本章小结：
- 文件系统层与磁盘布局
- 文件、目录及操作系统数据结构的实现
- 可用空间管理、分区、引导扇区等
文件系统
操作系统能为我做什么？
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.io.PrintWriter;
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) throws IOException {
FileWriter fw =
new FileWriter(("C:/Program Files (x86)/test.txt"));
PrintWriter pw = new PrintWriter(fw);
pw.close();
}
}
-
导入必要的类：
FileWriter、IOException、PrintWriter。 -
主方法：声明可能抛出
IOException。 -
创建FileWriter对象：尝试在路径
"C:/Program Files (x86)/test.txt"创建文件 -
创建PrintWriter对象：包装FileWriter以便更方便地写入文本。
-
关闭资源：调用
pw.close()，这会自动关闭底层的FileWriter。
文件系统抽象：将逻辑文件系统映射到物理文件系统（从物理层抽象）
从设备抽象：统一的观点，非常不同的底层存储机制
并发性：如果多个进程同时访问文件怎么办
安全性：为什么拒绝访问
文件系统能够使数据易于存储、定位和检索，且效率高。
磁盘布局
引导（Boot）扇区和分区
磁盘由一系列扇区组成（0 - N）
引导记录（Boot record）位于磁盘的起始位置：
- 用于启动计算机（BIOS 读取并执行引导扇区）
- 其末尾包含分区表，其中包含活动分区
- 一个分区被标记为活动分区，其中包含加载操作系统的引导块
磁盘通常被分成多个分区：
- 每个分区可能包含不同的文件/操作系统（有时甚至没有）
分区布局（取决于文件系统）
包含启动操作系统所需代码的引导块 Boot block（每个分区都包含，无论该分区是否包含操作系统）
包含有关分区信息的超级块 Super block（分区大小、FCB（文件控制块）数量、空闲列表位置等）
空闲空间管理包含指示空闲 FCB（文件控制块）或数据块的数据结构
元数据或文件控制块（例如 i 索引节点）
数据块，包括根目录（文件系统树的顶部）
文件&目录
操作系统抽象
一种用户视角，通过操作系统提供的抽象（系统调用）来定义文件系统（文件和目录）
一种实现视角，通过文件系统的底层实现来定义其内容
逻辑层（Logical Layers）
共享层：
- 输入/输出控制（I/O control）与设备控制器/寄存器（device controller/registers）（设备驱动程序、中断处理程序）进行交互
- 基本文件系统（Basic file system）指示设备驱动程序“块”、安排输入/输出操作，并管理（元）数据的缓冲区和缓存
特定于文件系统的层：
- 文件组织（File organisation）为文件和可用空间划分逻辑块
- 逻辑文件系统（Logical file system）管理文件控制块、目录结构和保护
应用程序（Application programs）定义文件的结构
文件（Files）
类型
Windows 和 Unix（包括 OS X）都具有常规文件和目录：
- 常规文件以 ASCII 或二进制（定义明确）格式存储用户数据
- 目录将文件组合在一起（但从实现层面来看，它们也是文件）
Unix 还有字符特殊文件和块特殊文件：
- 字符特殊文件用于模拟串行 I/O 设备（例如键盘、打印机）
- 块特殊文件用于模拟，例如硬盘
文件是顺序访问、随机（直接）访问和索引访问的
文件控制块与表
文件控制块（File control blocks，FCBs）是内核数据结构
- 如果允许用户应用程序直接访问这些控制块，可能会破坏其完整性
- 系统调用使用户应用程序能够（在内核模式下）请求操作系统为其执行操作
FCB 保存在每个进程和系统范围的打开文件表（数组）中，通过进程特定的文件句柄进行索引
每个进程的文件表包含了与该进程相关的特定信息，例如：
- 该进程当前打开的所有文件
- 读/写/当前指针
- 指向系统级文件表中相关条目的引用
系统级文件表包含一般信息，例如：
- 每个打开的文件对应一个条目
- 磁盘上的位置
- 访问时间
- 引用计数
系统调用
用于文件操作的系统调用包括：创建（create()）、打开（open()）、关闭（close()）、读取（read()）、写入（write()）等等。例如：
open() 系统调用：
- 将逻辑名称映射到标识文件控制块的底层名称
- 从驱动器中获取“FCB”（文件控制块）
- 将其添加到进程/系统打开文件表中（增加引用计数）
- 返回进程特定的文件句柄（表中的索引）
close() 系统调用：
- 减少引用计数
- 与磁盘同步 FCB
- 当引用计数为 0 时，从进程/系统文件表中移除 FCB
示例 使用“strace”（在 MacOS 系统中称为“dtruss”）：
# command = strace cat helloWorld.txt > /dev/null
execve("/usr/bin/cat", ["cat", "helloWorld.txt"], 0x7fffccb21658 /* 34 vars */) = 0
...
open("helloWorld.txt", O_RDONLY) = 3
...
read(3, "Hello World\n", 1048576) = 12
write(1, "Hello World\n", 12) = 12
read(3, "", 1048576) = 0 # 再次尝试读取，返回 0 字节（文件结束）
...
close(3) = 0 # 关闭数据文件
close(1) = 0 # 关闭标准输出（/dev/null）
close(2) = 0 # 关闭标准错误
exit_group(0) = ? # 进程以状态码 0（成功）退出
-
strace cat helloWorld.txt > /dev/null：使用 strace 跟踪 cat 命令的系统调用 -
> /dev/null：将标准输出重定向到空设备（丢弃输出）
execve - 执行程序：
-
加载并执行
/usr/bin/cat程序 -
传递参数：
"cat"和"helloWorld.txt" -
继承 34 个环境变量
-
返回 0 表示成功
open - 打开文件：
-
以只读模式打开
helloWorld.txt -
返回文件描述符 3（0-2 是标准输入、输出、错误）
read - 读取文件内容：
-
从文件描述符 3 读取数据
-
读取到内容：
"Hello World\n"（12 个字节） -
缓冲区大小为 1048576 字节（1MB）
-
返回实际读取的字节数：12
write - 写入输出
-
向文件描述符 1（标准输出）写入 12 字节
-
虽然输出被重定向到
/dev/null，但 write 调用仍然执行 -
返回写入的字节数：12
目录（Directories）
实现
目录是将文件进行分类的特殊文件，其结构由文件系统定义。
- 一个bit会被设置以表明它们是目录。
- 它们将人类可读的“逻辑”名称映射到用于文件控制块的唯一标识符，这些标识符详细说明了物理位置和文件属性。
有两种方法：
- 所有属性都存储在目录文件中（例如文件名、磁盘地址——Windows）
- 指向包含文件属性的数据结构（例如 i-节点）的指针（Unix）
目录能够构建有向无环图（directed acyclic-graphs，DAG）（是对树形结构的扩展——但链接可能会破坏这种结构）
系统调用
与文件类似，目录也是通过系统调用来进行操作的。
- create/delete：创建/删除一个新目录
- opendir、closedir：将目录添加/从内部表中移出
- readdir：返回目录文件中的下一个条目
- 其他操作：rename, link, unlink, list, update
常见的操作包括创建、删除、搜索、列出、遍历等等。
例子：文件访问，读取/home/pszgd/COMP2007/helloWorld.txt
#Steps to read /home/pszgd/COMP2007/helloWorld.txt
- read FCB for /
- find FCB location for /home
- read FCB for /home
- find FCB location of /home/pszgd
- read FCB for /home/pszgd
- find FCB location for /home/pszgd/COMP2007
- read FCB for /home/pszgd/COMP2007
- find FCB location for /home/pszgd/COMP2007/helloWorld.txt
- read FCB /home/pszgd/COMP2007/helloWorld.txt
=> update per process/system file tables
- read data for /home/pszgd/COMP2007/helloWorld.txt
- close the file
=> update per process/system file tables
(last access times may need updating on disk)
检索文件归根结底就是要尽可能快速地在目录文件中进行搜索
简单的随机排列目录项可能不够（搜索时间与项的数量呈线性关系）
对于大型目录，可以使用索引或哈希表来实现
空闲空间管理
与内存管理类似，位图和链表也可用于空闲空间管理
位图（Bitmap）
位图通过在映射表中单个位来表示每个块
- 位图的大小会随着磁盘大小的增加而增加，但对于给定的磁盘而言则是恒定的
- 位图所占用的空间比链表相对更少
链表（Linked List）
链表中的自由组集合
- 利用空闲块来保存空闲块的位置（因此，它们不再是空闲的）
- 链表的大小会随着磁盘的大小而增加，随着块的大小而缩小 ①例如，对于 1KB 的块和 32 位/4 字节的磁盘块编号，每个块将容纳 255 个空闲块（一个用于指向下一个块的指针）②由于当磁盘满时自由列表会缩小，所以这并非浪费的空间
- 块是相互链接的，即多个块列出了可用的块
链表可以通过跟踪每个条目连续空闲块的数量（称为Counting）来进行修改
位图 vs. 链表
位图：
- 需要额外的存储空间。例如：如果块大小为
字节（4KB），而磁盘大小为
字节（1GB）⇒ 位图大小：
（32KB）
- 仅对于小型磁盘才有可能将其保留在内存中。
链表：
- 随着空块数量的增加而增长
- 不会浪费磁盘空间（利用空闲空间）
- 我们只需在内存中保存一个指向块的指针块（需要时加载新的块）。
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