清华操作系统课程（向勇、陈渝）笔记——第十二章（一）（基本概念：文件系统和文件，文件描述符，目录，文件别名，文件系统种类）

基本概念

1. 文件系统和文件

1. 1 文件系统

一种用于持久性存储（掉电不会丢失数据，例如硬盘）的系统抽象。

1. 2 文件

文件系统中一个单元的相关数据在操作系统中的抽象。

1. 3 文件系统的功能

1. （在磁盘角度）分配文件磁盘空间：

• 管理文件块（哪一块属于哪一个文件）
• 管理空闲空间（哪一块是空心啊的）
• 分配算法

2. （在用户角度）管理文件集合：

• 定位文件及其内容
• 命名：通过名字找到文件的接口
• 文件系统类型

3. 提供的便利及特征

• 保护：分层来保护数据安全
• 可靠性/持久性：保持文件的持久即使发生崩溃、媒体错误、攻击等。

1. 4 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

1. 5 文件头

• 在存储元数据中保存了每个文件的信息
• 保存文件的属性
• 跟踪哪一块存储块属于逻辑上文件结构的哪个偏移

2. 文件描述符

操作系统内核中，为每个进程维护一打开文件表，一个打开文件描述符石这个表的索引，每一个项保存了该文件的信息。

需要元数据信息来管理打开文件：

• 文件指针：指向最近的一次读写位置，每个打开了这个文件的进程都指向这个指针
• 文件打开计数：记录文件打开的次数（允许不同的进程同时打开一个文件）。当最后一个进程关闭了文件时，允许将其从打开文件表中移除。
• 文件磁盘位置：打开文件一般用于读或者写，需要知道文件在磁盘中的位置。
• 访问权限：每个程序访问模式信息

2. 1 不同视角下

• 用户视图：持久的数据结构
• 系统访问接口：字节的集合
• 操作系统内部视角：块的集合（块是逻辑转换单元，而山区是物理转换单元）

注意：在文件系统中的所有操作都是在整个块空间上进行的（即使每次只访问1字节的数据，也会缓存整个buffer的数据）

例如，当用户需要给他2-12字节空间时：操作系统会获取字节所在的块然后返回块内对应部分。

2. 2 用户怎么访问文件

在系统层面需要知道用户的访问模式

• 顺序访问：按字节依次读取
• 随机访问：从中间读取
• 基于内容访问：通过特征

2. 3 文件内部结构

• 无结构：单词、bit的结构
• 简单记录结构：列、固定长度、可变长度
• 复杂结构：格式化的文档（word、PDF）、可执行文件

2. 4 多用户系统中的文件共享

• 访问控制

  谁能获得哪些文件的哪些访问权限

  访问模式：读、写、执行、删除、列举等

• 文件访问控制列表ACL

  <文件实体，权限>

• Unix模式

  <用户|组|其他人，读|写|可执行>

  用户ID识别用户/创建者，表明每个用户所允许的权限及保护模式

  组ID允许用户组成组，并指定了组访问权限

• 指定多用户/客户如何同时访问共享文件

• Unix文件系统语义

  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。

  共享文件指针允许多用户同时读取和写入文件

• 会话语义

  写入内容只有当文件关闭时可见

• 锁

3. 目录

• 文件以目录的方式组织起来

• 目录是一类特殊的文件：每个目录都包含了一张表<name, pointer to file header>

• 典型操作：搜索文件、创建文件、删除文件、枚举目录、重命名文件、在文件系统中遍历一个路径

• 操作系统应该只允许内核模式修改目录

• 名字解析：逻辑名字转换成物理资源的过程（遍历文件目录知道找到目标文件）

• 当前工作目录：每个进程都会指向一个文件目录用于解析文件名

  允许用户指定相对路径来代替绝对路径

• 挂载

  • 一个文件系统需要先挂载才能被访问
  • 一个未挂载的文件系统被挂载在挂载点上（挂载点类似于目录）

4. 文件别名

两个或多个文件名关联同一个文件。

• 硬链接：多个文件项指向一个文件

• 软链接：以“快捷方式”指向其他文件。该文件中的内容是真实文件的逻辑路径名。

• 若删除一个有别名的文件这个别名将成为一个悬空指针

• 如何保证没有循环：

  • 只允许到文件的链接，不允许到子目录的链接。
  • 每增加一个新的链接都用循环检测算法确定是否合理

5. 文件系统种类

• 磁盘文件系统
  • 文件存储在数据存储设备上，如磁盘。
  • 例如：FAT、NTFS等
• 数据库文件系统
  • 文件根据其特征是可被寻址的
  • 例如：WinFS
• 日志文件系统
  • 记录文件系统的修改/事件
  • 例如：journaling file system
• 网络/分布式文件系统
  • 例如NFS、SMB
  • 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
  • 分布式文件系统的问题：客户端和客户端上的用户辨别起来很困难。
• 特殊/虚拟文件系统