Chapter 11 File System

最新推荐文章于 2022-03-08 09:16:27 发布

Peter_Ouyang

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分类专栏：操作系统文章标签：操作系统

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文件系统模型
- 最高层时文件系统接口
- - 命令接口
  - 程序接口
- 中间层是对对象操纵和管理的软件集合
- - 对文件存储空间的管理
  - 对文件目录的管理
  - 地址映射
  - 文件的读写管理
  - 文件的共享与保护等
- 最底层是对象及其属性说明
- - 文件、目录和磁盘存储空间
文件的逻辑结构
- 顺序文件
- 索引文件
- - 往往建立一张索引表，记录下每个记录的长度及指向该记录的指针
  - 索引文件本身是顺序文件组织
Access method
- Sequential access
- Direct access
文件的物理结构
- 取决于外存的分配方式
- - 连续分配 --- 顺序结构
  - 链接分配 --- 链接结构
  - 索引分配 --- 索引结构
Contiguous allocation
- Simple
- - Only starting location and length are required
- Random access
- Wasteful of space
- Files cannot grow
- 优点
- - 简单，支持随机存取和顺序存取
  - 顺序存取速度快
  - 所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少
- 缺点
- - 要求连续的存储空间
  - 会产生碎片
  - 要求用户给出文件的最大长度：不利于文件的动态扩充
  - 不利于文件的插入和删除
Linked allocation
- Simple
- - Need only starting address
- No random access
- 隐式链接
- - 一个文件的信息存放在若干个不连续的物理块中，各块之间通过指针连接
  - 优点
  - - 提高了磁盘的空间利用率，不存在外部碎片问题
    - 有利于文件插入和删除
    - 有利于文件动态扩充
  - 缺点
  - - 不能直接存取
    - 存取速度慢，不适于随机存取
    - 可靠性问题，如指针出错
    - 更多的寻道次数和寻道时间
    - 指针占用空间
- 可将多个块组成簇，以簇为单位，指针占用百分比减少，但是增加了内碎片
- - 显式链接
  - - 文件分配表FAT（整个磁盘只有一张）
  - FAT方式需要占用较大的内存空间
Index allocation
- 事实上，打开某个文件时，只需要直到该文件所在的盘块号
- Need a index table
- - 索引表组织:
  - - 链接模式
    - - 大的文件，索引表占了若干个盘块，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（主索引，一级索引)中
      - 在两级索引分配方式，若每个盘块大小为1KB，每个盘块号占4字节，则一个索引块中可存放256个盘块号。则两级索引最多可包含的盘块号总数为64K个（256*256）。因此，所允许的文件的最大长度为64MB（64K*1KB）
- 优点:
- - 保持链接结构的优点，又克服了其缺点:
  - 既能顺序存取又能随机存取
  - 满足了文件动态增长\插入删除要求
  - 能充分利用外存空间
- 缺点:
- - 较多的寻道次数和寻道时间
  - 索引表本身带来了系统开销,如：内外存空间，存取时间
Disk structure
- Disk or partition can be used raw --- without a file system, or formatted with a file system
Directory structure
- A collection of nodes containing information about all files
- Both the directory structure and the files reside on disk
- Backups of these two structures are kept on tapes
File directory
- FCB
- - 用于描述和控制文件的数据结构
  - 包含
  - - 文件基本信息
    - 存取控制信息
    - 管理信息
- 文件目录：文件控制块的有序集合
- - 目录项：构成文件目录的项目（目录项就是FCB）
- 目录文件：为了实现对文件目录的管理，将文件目录以文件的形式保存再外存，这个文件就叫做目录文件
Operations performed on directory
Organize the directory to obtain
- Efficiency --- locating a file quickly
- Name --- convienient to users
- Grouping --- logical grouping of files by properties
Single-level directory
- 命名冲突
Two-level directory
- 一级为主文件目录，给出用户名，用户子目录所在的物理位置
- 二级成为用户文件目录，给出该用户所有文件的FCB
- 优点
- - 解决了文件的重名问题
  - - 用户名|文件名
  - 查找时间降低
- No grouping capcability
Tree-structured directory
- 优点：
- - 层次结构清晰，便于管理和保护；
  - 有利于文件分类；
  - 解决重名问题；
  - 提高文件检索速度；
- 缺点：
- - 查找一个文件按路径名逐层检查，由于每个文件都放在外存，多次访盘影响速度
Acyclic-graph directory
- Have shared subdirectories and files
- If dict deletes list -----> dangling pointer.
- Solutions：
- - Backpointers, so we can delete all pointers.
  - Entry-hold-count solution.
- 文件别名的实现
- - 基于索引结点(index node)
  - - 也称为硬链接（hard link），基于改进的多级目录结构，将目录内容分为两部分：文件名和索引结点。前者包括文件名和索引结点编号，后者包括文件的其他内容（包括属主和访问权限）。通过多个文件名链接(link)到同一个索引结点，可建立同一个文件的多个彼此平等的别名。别名的数目记录在索引结点的链接计数中，若其减至0，则文件被删除。
  - 基于符号链接(symbolic link, shortcut)
  - - 特殊类型的文件，其内容是到另一个目录或文件路径的链接。建立符号链接文件，并不影响原文件，实际上它们各是一个文件。可以建立任意的别名关系，甚至原文件是在其他计算机上。
General graph directory
- How we guarantee no cycles
- - Allow only links to file not subdirectories
  - Garbage collection
  - Every time a new link is added, use a cycle detection algorith to determine whether it is OK
普通文件和目录文件的目录项通过一个二进制位区分
Directory implementation
- Linear list of file names with pointer to the data blocks
- - Sequential search
  - Simple to program
  - Consume CPU time
- Hash table
- - Decrease directory search time
File operation
- 建立文件
- - 建立文件的FCB
  - 分配必要的外存空间
  - 在文件目录中为之建立一个目录项,目录项中记录新文件的文件名及其在外存的地址等属性,返回一个文件描述符。
- 删除文件:
- - 从目录中找到要删除文件的目录项
  - 使之成为空闲目录项
  - 回收该文件所占用的存储空间
- 读文件 : 把文件中的数据从外存读入内存的用户区
- - 查找目录，找到指定文件的目录项，从中得到被读文件在外存的地址
  - 从外存将数据读入内存
- 写文件 :
- - 查找目录，找到指定文件的目录项
  - 利用目录中的文件指针将信息写入文件
- 打开文件: 为了避免每次访问文件时都要从外存中查找文件目录，系统提供了打开文件命令。
- - 将待访问文件的目录信息读入内存活动文件表中，建立起用户和文件的联系。
  - 在有些系统中，也可以通过读命令隐含地向系统提出打开文件的要求。若在读写命令中不包含打开文件功能，则在使用文件之前，必须先打开文件。
- 关闭文件:
- - 撤消主存中有关该文件的目录信息，切断用户与该文件的联系；
  - 若在文件打开期间，该文件作过某种修改，则应将其写回辅存。
Free-space management
- 位图法
- - 用一串二进制反映磁盘空间中分配使用情况
- 空闲块表
- - 将所有空闲块记录再一个表中
  - 有两项
  - - 该空闲区的第一个盘块号
    - 该区的空闲盘快总数
- 空闲块链表
- - 成组链接法
  - - 文件区的所有空闲盘块被分成若干组
    - 每一组的第一个盘块中记录又下一组的盘块总数和盘块号
    - 空闲盘块号栈
    - - 存放当前可用的空闲盘块号及空闲盘块号数N
    - 第一组盘块总数和盘块号记入空闲盘块号栈中
Protection
- File access control
- - 第一级：对访问者的识别
  - - 对用户分类
    - - 文件主
      - 文件主的同组用户
      - 其他用户
  - 第二级：对操作权限的识别
  - - 对操作分类
    - - 读操作（r）
      - 写操作（w）
      - 执行操作（x）
      - 不能执行任何操作（-）
- 分级安全管理：为保证文件的安全性通常采用分级的管理措施
- - 系统级管理
  - - 主要任务时不允许未经核准的用户进入系统
    - 注册/登录
  - 用户级管理
  - - 对所有用户进行分类
    - 为指定用户分配文件访问权
    - 采用保护域
  - 目录级管理
  - - 是为保护系统中的各种目录而涉及的，它与用户权限无关
    - 为保护目录的安全，规定只有系统核心才具有写目录的权利
  - 文件级管理
  - - 通过系统管理员或文件主对文件属性的设置，来控制用户对文件的访问
Efficiency and performance
- Efficiency
- - Disk allocation and directory algorithm
  - Types of data kept in file's directory entry
- Performance
- - Disk cache
  - - 利用内存中的存储空间，来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息
    - 专用
    - - 在内存中开辟一个单独的存储空间来作为磁盘高速缓存，大小固定
    - 公用
    - - 把所有未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O共享
  - Free-behind and read-ahead
  - RAM disk
  - - 利用内存空间去仿真磁盘
- 为提高对文件的访问速度，可从三个层次上着手
- - 改进文件的目录结构以及检索目录的方法，来减少对文件的查找时间
  - 选择好的文件存储结构，以提高对文件的访问速度
  - 提高磁盘I/O速度，以提高对数据的传送速度
  - - 提前读
    - - 用户对文件进行顺序访问的情况下，在读当前块的同时，可提前将下一个盘块读入缓冲区
    - 延迟写
    - - 考虑到缓冲区中的数据，不久之后可能还会被访问，因此不立即将数据写入磁盘
数据一致性
磁盘容错技术
- 低级容错技术
- 二级容错技术