第四章 文件系統(tǒng)

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文件是進(jìn)程創(chuàng)建的信息邏輯單元

目錄是管理文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)文件

在Unix中，路徑各部分之間用“/”分割，在Windows中，分隔符是“\”，在Multics中是“>”

不管哪一種分隔符，如果路徑名的第一個(gè)字符是分隔符，則這個(gè)路徑是絕對(duì)路徑

支持層次目錄結(jié)構(gòu)的大多數(shù)操作系統(tǒng)在每個(gè)目錄中都有兩個(gè)特殊的目錄項(xiàng)，“.”和“..”,常讀作“dot”和“dotdot”，“dot”指當(dāng)前目錄，“dotdot”指父目錄（在根目錄中例外，根目錄中它指向自己。

在刪除目錄的時(shí)候，在只有空目錄可以調(diào)用刪除目錄，來(lái)刪除

文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

文件系統(tǒng)的布局:磁盤(pán)的0號(hào)扇區(qū)稱(chēng)為主引導(dǎo)記錄(MBR),用來(lái)引導(dǎo)計(jì)算機(jī),在MBR結(jié)尾時(shí)分區(qū)表,該表給出了每個(gè)分區(qū)的起始地址標(biāo),表中的一個(gè)分區(qū)被標(biāo)記為活動(dòng)分區(qū),在計(jì)算機(jī)被引導(dǎo)時(shí),BIOS讀入并執(zhí)行MBR。MBR做的第一件事就是確定活動(dòng)分區(qū)，讀入它的的一塊，稱(chēng)為引導(dǎo)塊，并執(zhí)行之。除此之外，還有一個(gè)超級(jí)塊，超級(jí)塊包含文件系統(tǒng)的所有關(guān)鍵參數(shù)，在計(jì)算機(jī)啟動(dòng)時(shí)，或者該文件系統(tǒng)首次使用時(shí)，把超級(jí)塊讀入內(nèi)存。超級(jí)塊中的典型信息包括：確定文件系統(tǒng)類(lèi)型用的魔術(shù)，文件系統(tǒng)中數(shù)據(jù)塊的數(shù)量以及其他重要的管理信息

文件實(shí)現(xiàn)：

1.      連續(xù)分配，優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、讀操作性能較好；缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生磁盤(pán)碎片

2.      鏈表分配：每塊的第一個(gè)字作為指向下一個(gè)塊的指針。該方法盡管順序讀取非常方便，但隨機(jī)存取卻相當(dāng)緩慢，另外由于指針占用了額外的空間導(dǎo)致每個(gè)磁盤(pán)塊不再是2的整數(shù)次冪，這種怪異的大小大大的降低了系統(tǒng)的性能（許多程序都是以2的整數(shù)次冪來(lái)讀取磁盤(pán)的。

3.      在內(nèi)存中采用鏈表分配：取出2中的磁盤(pán)塊的指針，放入內(nèi)存中的一個(gè)表中。這個(gè)表叫做文件分配表（FAT），缺點(diǎn)，整個(gè)表放入內(nèi)存中

4.      i節(jié)點(diǎn)：記錄文件分別屬于那些磁盤(pán)塊，列出了文件屬性和文件塊的磁盤(pán)地址，給定i節(jié)點(diǎn)，只有文件打開(kāi)時(shí)，文件的i節(jié)點(diǎn)才會(huì)存在內(nèi)存中，最后一個(gè)磁盤(pán)塊地址不是指向數(shù)據(jù)塊而是指向一個(gè)包含磁盤(pán)塊地址的塊的地址

目錄實(shí)現(xiàn)

1.      較好的一個(gè)方案是：文件項(xiàng)包含一個(gè)指向文件名的地址和文件的屬性，對(duì)于長(zhǎng)目錄，線(xiàn)性搜索的方法太慢了，加快查找速度的一個(gè)方法是使用散列表

共享文件

1.      連接（link）：特定目錄與共享文件之間的聯(lián)系稱(chēng)為一個(gè)連接。

2.      文件系統(tǒng)本身是一個(gè)無(wú)環(huán)圖，而不是一棵樹(shù)

3.      為了解決在共享文件中單個(gè)文件寫(xiě)入數(shù)據(jù)，違背了共享文件的目的，Unix采取的方法是i節(jié)點(diǎn)，即磁盤(pán)塊不列入目錄而是列入一個(gè)與文件本身相關(guān)的小型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（i節(jié)點(diǎn)）；另一種方案是符號(hào)連接：即系統(tǒng)創(chuàng)建一種指向共享文件的新文件（windows系統(tǒng)中的快捷方式）

日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)

1.      基本思想是將整個(gè)磁盤(pán)結(jié)構(gòu)化為一日志

2.      每隔一段時(shí)間，或是有特殊需要時(shí)，被緩沖在內(nèi)存中的所有未決的寫(xiě)操作都被放到一個(gè)單獨(dú)的段中，作為在日志末尾的一個(gè)鄰接段寫(xiě)入磁盤(pán)

3.      日志文件系統(tǒng)有一個(gè)清理線(xiàn)程，該線(xiàn)程周期地掃描日志進(jìn)行磁盤(pán)壓縮

4.      整個(gè)磁盤(pán)成為一個(gè)大的環(huán)形緩沖區(qū)，寫(xiě)線(xiàn)程將新的段寫(xiě)在前面，而清理進(jìn)程則將舊的段從后面移走

虛擬文件系統(tǒng)

1.        思想：抽象出所有文件系統(tǒng)都共有的部分，并且將這部分代碼放到單獨(dú)的一層，該層調(diào)用底層的實(shí)際文件系統(tǒng)來(lái)具體管理數(shù)據(jù)

2.        所有和文件相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用在最初的處理上都指向虛擬文件系統(tǒng)

3.        虛擬文件有兩個(gè)不同的接口：上層用戶(hù)進(jìn)程的接口和下層給實(shí)際文件系統(tǒng)的接口

文件系統(tǒng)管理和優(yōu)化

1.幾乎所有的文件系統(tǒng)都把文件分割成固定的塊大小來(lái)存儲(chǔ)，各塊之間不一定相鄰

2.如果分配的單元太大，浪費(fèi)了空間（再小的文件也會(huì)占用整個(gè)柱面），如果太小，則浪費(fèi)了時(shí)間（文件跨越多個(gè)塊，多次尋道和旋轉(zhuǎn)延遲）

3.記錄空閑塊，方案一：采用磁盤(pán)塊鏈表，方案二：使用位圖

4.磁盤(pán)配額：管理員分配給每個(gè)用戶(hù)擁有文件和塊的最大數(shù)量，操作系統(tǒng)確保每個(gè)用戶(hù)不超過(guò)分配給他們的配額

5.文件系統(tǒng)備份：處理兩個(gè)問(wèn)題：1）、從意外災(zāi)難中恢復(fù)；2）從錯(cuò)誤操作中恢復(fù)，（windos中的回收站）

6.增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)：周期性地做全面的轉(zhuǎn)儲(chǔ)，而在每天只對(duì)當(dāng)天更改的數(shù)據(jù)備份。稍微好一點(diǎn)的做法是只備份最近一次轉(zhuǎn)儲(chǔ)以來(lái)更改過(guò)的文件。

7.轉(zhuǎn)儲(chǔ)兩種方案：物理轉(zhuǎn)儲(chǔ)，邏輯轉(zhuǎn)儲(chǔ)；物理轉(zhuǎn)儲(chǔ)：從磁盤(pán)的第0塊開(kāi)始，將全部的磁盤(pán)塊按序輸出到磁帶上，直到最后一塊復(fù)制完畢；邏輯轉(zhuǎn)儲(chǔ)：從一個(gè)或幾個(gè)指定的目錄開(kāi)始，遞歸地轉(zhuǎn)儲(chǔ)器自給定基準(zhǔn)日期（例如，最近一次增量轉(zhuǎn)儲(chǔ)或全面轉(zhuǎn)儲(chǔ)的日期）后有所更改的全部文件和目錄。

8.文件系統(tǒng)的一致性：很多計(jì)算機(jī)都帶有一個(gè)使用程序以檢查文件的一致性，Unix中是fsck，windos中是scandisk

9.文件系統(tǒng)的性能：

1）高速緩沖，

在Unix中有一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用sync，它強(qiáng)制性地把全部修改過(guò)的塊立即寫(xiě)回磁盤(pán)，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，在后臺(tái)運(yùn)行一個(gè)通常名為update的程序，它在無(wú)限循環(huán)中不斷的執(zhí)行sync調(diào)用，每?jī)纱握{(diào)用之間休眠的實(shí)現(xiàn)是30秒

在windos中有一個(gè)FlushFileBuffers，它采用的做法是，只要被寫(xiě)進(jìn)告訴緩沖，就把每個(gè)被修改的塊寫(xiě)入磁盤(pán)。將緩沖中所有被修改的塊立即寫(xiě)回磁盤(pán)稱(chēng)為通寫(xiě)高速緩沖。同非通寫(xiě)緩沖相比，通寫(xiě)緩沖需要更多的磁盤(pán)IO

         2）塊提前讀

         3）減少磁盤(pán)臂運(yùn)動(dòng)

                   把可能順序存取的塊放在一起，當(dāng)然最好在同一個(gè)柱面上，從而減少磁盤(pán)臂的移動(dòng)次數(shù)

磁盤(pán)碎片整理：移動(dòng)文化使它們相鄰，并把所有的（至少是大部分）空閑空間放在一個(gè)或多個(gè)大的連續(xù)的區(qū)域內(nèi)。Windos有一個(gè)程序defrag從事這項(xiàng)工作。

文件系統(tǒng)實(shí)例：

         1.CD-ROM，為一次性寫(xiě)介質(zhì)設(shè)計(jì)的

                   Unix，ISO 9660文件系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上做了一次擴(kuò)展，Rock Ridge擴(kuò)展，微軟做的一次擴(kuò)展是Joliet擴(kuò)展

2.MS_DOS文件系統(tǒng)，它和擴(kuò)展（FAT-32）一直被許多切入式系統(tǒng)廣泛使用，如數(shù)碼相機(jī)等。

         3.UnixV7文件系統(tǒng)，i節(jié)點(diǎn)采用3級(jí)間接塊。

網(wǎng)站欄目：文件系統(tǒng)
網(wǎng)頁(yè)網(wǎng)址：http://www.ekvhdxd.cn/article6/podhig.html

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