《Tsinghua os mooc》第21~22讲 文件系统
第二十一讲 文件系统
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文件系统是操作系统中管理持久性数据的子系统，提供数据存储和访问功能。
- 组织、检索、读写访问数据
- 大多数计算机系统都有文件系统
- Google 也是一个文件系统
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文件是具有符号名，由字节序列构成的数据项集合
- 文件系统的基本数据单位
- 文件名是文件的标识符号
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文件系统的功能
- 分配文件磁盘空间
- 管理文件块（位置和顺序）
- 管理空闲空间(位置)
- 分配算法 (策略)
- 管理文件集合
- 定位：文件及其内容
- 命名：通过名字找到文件
- 文件系统结构：文件组织方式
- 数据可靠和安全
- 安全：多层次保护数据安全
- 可靠：持久保存文件，避免系统崩溃、媒体错误、攻击等
- 分配文件磁盘空间
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文件头：文件系统元数据中的文件信息
- 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、…
- 文件存储位置和顺序
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文件描述符
- 进程访问文件数据前必须先“打开”文件，操作系统为每个进程维护一个打开文件表，文件描述符是打开文件的标识
- 文件指针：记录最近一次读写位置。每个进程分别维护自己的打开文件指针
- 文件打开次数：当前打开文件的次数。最后一个进程关闭文件时，将其从打开文件表中移除
- 文件的磁盘位置：缓存数据访问信息
- 访问权限：每个进程的文件访问模式信息
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文件的用户视图和系统视图
- 文件的用户视图：持久的数据结构
- 系统访问接口：字节序列的集合(UNIX)，系统不关心存储在磁盘上的数据结构
- 文件的系统视图：数据块的集合，数据块是逻辑存储单元，而扇区是物理存储单元。
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文件系统中的基本操作单位是数据块
- 例如, getc()和putc()即使每次只访问1字节的数据，也需要缓存目标数据4096字节
- 进程读文件：获取字节所在的数据块，返回数据块内对应部分
- 进程写文件：获取数据块，修改数据块中对应部分，写回数据块
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文件别名
- 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，通过存储真实文件的逻辑名称来实现
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文件表示：如何表示分配给一个文件数据块的位置和顺序
- 分配方式
- 连续分配
- 链式分配
- 索引分配
- 指标
- 存储效率：外部碎片等
- 读写性能：访问速度
- 分配方式
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连续分配：文件头指定起始块和长度
- 优点
- 文件读取表现好
- 高效的顺序和随机访问
- 缺点
- 存在外部碎片
- 文件增长问题
- 优点
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链式分配：文件以数据块链表方式存储，文件头包含了到第一块和最后一块的指针
- 优点
- 创建、增大、缩小很容易
- 没有碎片
- 缺点
- 无法实现真正的随机访问
- 可靠性差，破坏一个链，后面的数据块就丢了
- 优点
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索引分配：为每个文件创建一个索引数据块，指向文件数据块的指针列表，文件头包含了索引数据块指针
- 优点
- 创建、增大、缩小很容易
- 没有碎片
- 支持直接访问
- 缺点
- 当文件很小时，存储索引的开销
- 如何处理大文件?（链式索引块、多级索引块）
- 优点
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UFS多级索引分配
- 文件头包含13个指针
- 前10个指针指向数据块
- 第11个指针指向索引块
- 第12个指针指向二级索引块
- 第13个指针指向三级索引块
- 效果
- 提高了文件大小限制阈值
- 动态分配数据块，文件扩展很容易
- 小文件开销小
- 只为大文件分配间接数据块，大文件在访问数据块时需要大量查询
- 文件头包含13个指针
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内部碎片 vs 外部碎片
- 内部碎片就是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）却不能被利用的内存空间
- 外部碎片是处于任何两个已分配区域或页面之间的空闲存储块。这些存储块的总和可以满足当前申请的长度要求，但是由于它们的地址不连续或其他原因，使得系统无法满足当前申请。
第二十二讲 实验八 文件系统
- 文件系统层次结构图
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lab8文件系统具有繁多的数据结构和函数调用，为分析硬盘上的数据与内存中的数据的关系，可采取以下思路
- 自下而上，谁访问谁
- 自上而下，谁包含谁
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SFS硬盘布局
superblock | root-dir inode | freemap | Inode/File Data/Dir Data blocks
- 文件系统的抽象
- 文件
- 目录项
- 索引节点
- 安装点
