操作系统-文件管理笔记

文件系统的组成

文件系统的基本数据单位是文件。

目的：组织管理磁盘上的文件。

根据组织方式的不同可分为不同的文件系统。例如：NFT、多级目录文件系统。

文件数据结构

索引节点：存放在磁盘中，记录文件的元信息，唯一标识一个文件。

目录项：由内核维护，缓存在内存而不是在存放在磁盘中。

作用：记录文件的元信息和目录层次结构。

目录是一种文件保存在磁盘中，文件内容是子目录或文件；目录项是一种数据结构，缓存在内存中，指向目录或文件。

目录项就是文件控制块FCB。

文件是如何存储在磁盘的？

磁盘的基本单位是扇区，多个扇区组成一个逻辑块。

磁盘在格式化后会被分为三个区域：

超级块：存储文件系统的详细信息。（成组链接法）

加载时机：当文件系统被挂载时进入内存。

索引节点区：用来存储索引节点。

当文件被访问时进入内存。

数据块区：用来存储文件或目录数据。

虚拟文件系统

操作系统对用户提供的一个统一操作文件的接口，虚拟文件系统是介于用户层和文件系统层的。

文件的使用

进程在打开文件后，操作系统会追踪这些文件，即为每个进程都维护一个打开文件表，表中的表项为文件描述符，文件描述符是打开文件的标识。

文件的存储方式

连续空间

文件头里指定起始块的位置和长度。

优点：读写效率高。

缺点：容易产生磁盘空间碎片，文件长度不易扩展。
非连续空间
- 链表方式
  - 隐式链表
    
    文件头包含第一块和最后一块的位置，并且每个数据块要保存下一块的位置（指针）。
    
    优点：不会产生磁盘碎片，文件长度可以动态扩展。
    
    缺点：无法随机访问，指向下一个数据库的指针需要占用一定空间，稳定性差（当软件/硬件错误导致链表中的指针丢失或损坏时，会导致文件数据丢失）
  - 显式链表
    
    把用于链接各个数据块的指针，显式地放在内存的一张链接表中，每个表项存放链接指针和指向下一块的数据号。
    
    优点：查找过程是在内存中的，提高检索速度。
    
    缺点：不适合与大磁盘。
- 索引方式
  
  为每个文件创建一个索引数据块，里面存放指向文件数据块的指针列表。文件头包含这个索引数据块的指针。
  
  优点：文件大小的扩展很方便，支持顺序和随机读写，不会有碎片问题。
  
  缺点：存储索引需要占用一定的空间。

空闲空间的管理

空闲表法

为文件的空闲空间建立一个表，表项为空闲区的第一个块号和空闲区的块个数。（连续分配）

缺点：当存储空间存在大量空闲区时，查询效率低。
空闲链表法

用链表的方式将空闲块串联起来。

缺点：不支持随机访问。
位图法

采用二进制的一位来表示磁盘一个盘块的情况，磁盘上的所有盘块都有一个二进制位与之对应。

文件系统的结构

目录的存储

目录文件里存储是目录里面一项一项的文件信息。

Linux中ext文件系统采用了哈希表的方式来保存目录里面文件信息，key: 文件名称, value: 索引节点块号。

文件I/O

缓冲和非缓冲I/O
- 缓冲/O：利用标准库的缓存加速对文件内容的访问，标准库再通过系统调用访问文件。
- 非缓冲I/O：不使用标准库的缓存，直接通过系统调用访问文件内容。
直接和非直接I/O
操作系统在（文件相关的）系统调用后，会把用户数据拷贝到内核中缓存起来，这个内核缓存空间称为页缓存。
- 直接I/O：不会发生内核缓存和用户程序之间的数据复制，而是直接通过文件系统访问磁盘。
- 非直接I/O：读操作时，数据从内核缓存中拷贝给用户程序，写操作时，数据从用户程序拷贝给内核程序，再由内核程序决定什么时候写回磁盘。
以下场景会触发内核缓存数据写回磁盘：
- 调用write时，发现内核缓存满了，内核会把数据写到磁盘上。
- 用户主动调用sync，内核缓存会刷到磁盘上。
- 内存紧张，无法再分配页面时，内核缓存会被刷到磁盘上。
- 内核缓存的数据的缓存时间超过某个时间时，也会被刷到磁盘上。
阻塞和非阻塞I/O、同步I/O与异步I/O
I/O分为两个过程：
- 数据准备过程
- 数据从内核空间拷贝到用户进程缓冲区的过程
解析：
- 阻塞I/O：当执行系统调用时，从第一个过程开始一直阻塞到数据拷贝到用户进程缓冲区完成为止。
- 非阻塞I/O：当执行系统调用时，如果数据没有准备好就立即返回不会阻塞，那么就需要用户程序不断轮询，当数据准备好后，再执行系统调用时，会阻塞直到数据拷贝完成。
- 同步I/O：当执行系统调用时，会阻塞到数据准备好为止，此时操作系统会唤醒用户程序并通知其数据已准备好，用户程序再执行系统调用拷贝数据（这一过程也是阻塞的）。
- 异步I/O：当执行系统调用后就立马返回，当操作系统把数据拷贝到用户缓冲区时，再通知用户程序。

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本文作者：Lht1
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