现代操作系统 - 文件系统

文件系统是对磁盘的抽象,包括文件结构(如字节序列、记录树)、文件类型(文件与目录)、多种分配方式(连续、链表、i节点)以及日志和备份策略。虚拟文件系统提供统一接口,便于跨文件系统操作。优化涉及块大小选择、空闲块管理及高速缓存使用。

文件系统

文件系统是对磁盘的抽象, 对文件结构, 命名, 访问, 使用, 保护, 实现和管理

文件

文件结构

  1. 把文件看成字节, 操作系统不关心文件内容是什么Unix和Windows都采用这种方法
  2. 把文件具有固定长度记录的序列, 每个记录都有其内部结构, 很少有使用这种结构的, 这是之前大型计算机的模式
  3. 把文件构造成记录树, 数据库使用的方式

文件类型

分为文件和目录

文件系统的实现

文件

  1. 连续分配: 把文件作为一连串数据块储存在磁盘上, 这样读写性能会比较好, 因为单个操作就能读出整个文件, 但是随着时间的推移, 有些文件被删除, 磁盘就会变得零碎
  2. 链表分配: 每一块指向下一个块, 这样空闲的block可以利用起来, 但是问题是随机访问文件变得比较慢, 因为需要从指针头逐个访问
  3. 采用内存中进行链表分配, 把整个表放在内存中, 需要占用很大内存
  4. 使用i节点: 文件系统使用一级、二级或多级索引节点来处理大文件。一级索引节点包含指向数据块的指针,可以直接访问一定数量的数据块。二级索引节点包含指向一级索引节点的指针,通过两级间接寻址可以访问更多的数据块。类似地,多级索引节点可以用于处理更大的文件。

目录

对于采用i节点的系统, 每个目录项只引用i节点的目录

日志

先写日志, 在操作, 再删除日志. 需要保证日志操作是幂等的

虚拟文件系统

虚拟文件系统是一个抽象层,为不同的文件系统提供了统一的接口,使得用户和应用程序可以以相同的方式访问不同类型的文件系统,而不需要关心底层文件系统的具体实现细节

VFS在Linux中起到了重要的作用,它提供了一组标准的系统调用接口(如open、read、write、close等),使得用户程序可以使用统一的方式操作文件和目录,而无需考虑底层文件系统的差异。

文件系统的管理和优化

几乎所有文件系统都把文件分割成固定大小的块来储存, 各块之间不一定相邻. 这个块的大小设置在了1-4kb之间

记录空闲块

通过位图记录空闲块. 在回收空闲指针的时候, 在内存保留一个半满的指针块, 这样它可以即处理文件创建, 同时又可以处理文件的删除

文件系统备份

只备份特定目录下的文件, 而不是整个文件系统

文件系统的性能

  1. 使用高速缓存
  2. 块提前读

文件系统实例

MS-DOS文件系统

使用的是FAT文件系统, 开始的版本都支持很小的容量比如FAT-12最大支持64MB, 后来FAT32支持了更大的分区, 不同大小的分区有可以使用不同大小的分块

UNIX V7文件系统

使用i节点, 是树状结构

总结

从外部看, 文件系统就是文件和目录, 以及对文件和目录的操作, 内部看, 设计需要考虑如何分区, 比如使用i节点; 如果管理空闲块, 比如位图; 通过增量转储备份可以提高文件的可靠性; 通过高速缓存, 预读取可以尽可能将文件中的块放在一起, 提升性能

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