操作系统中的文件系统概念和实现&磁盘结构和调度算法

文件系统

文件系统概念

文件系统是操作系统中管理持久数据的核心子系统。它提供了一种抽象机制，使用户能够方便地在磁盘上存储和检索信息，而无需了解底层存储细节。

文件

文件定义

文件是字节序列的抽象，为操作系统提供了最大的灵活性。

文件命名

不同操作系统采用不同的文件系统和命名约定：

• FAT16/32: MS-DOS和早期Windows系统
• NTFS: 较新的Windows系统
• exFAT: 微软优化的FAT系统
• ext2/3/4: Linux系统常用文件系统

文件结构

• 字节序列: 最简单和最灵活的结构
• 记录序列: 具有固定长度记录的序列
• 树状结构: 按键字段排序的记录树

文件类型

• 普通文件: 用户创建的数据文件
• 目录: 包含其他文件信息的特殊文件
• 字符特殊文件: 用于I/O的设备文件（UNIX系统）
• 块特殊文件: 用于块设备的文件（UNIX系统）

文件访问方法

• 顺序访问: 按顺序读取所有字节，早期操作系统只有这种类型
• 随机访问: 可以直接访问文件中的任意位置

文件属性

包括创建日期、修改时间、所有者、大小等元数据信息。

文件操作

主要的文件操作系统调用包括：create, delete, open, close, read, write, append, seek, get attributes, set attributes, rename。

目录

在很多操作系统中，目录本身也是文件

目录结构

• 一级目录系统: 所有文件都在一个目录中
• 层级目录系统: 树状结构，允许更好的文件组织

路径名

• 绝对路径: 从根目录开始的完整路径
• 相对路径: 相对于当前工作目录的路径

目录操作

主要的目录操作包括：create, delete, opendir, closedir, readdir, rename, link, unlink。

文件系统实现

文件存储实现的关键问题是记录各个文件分别用到哪些磁盘块。不同的操作系统用到不同的方法

文件系统布局

• 主引导记录（MBR）: 包含分区表和引导代码。结尾是分区表。该表给出每个分区的起始结束地 址
• 分区: 每个分区包含独立的文件系统

文件实现方式

	定义	优点	缺点
连续分配	文件占用连续的磁盘块	实现简单&操作性能较好
链表分配	文件块通过链表连接	充分利用磁盘块&随机访问快	占用字节，每个磁盘块存储数据的字节数不再是2的整数次幂</