文件与文件系统
FCB（文件控制块）
文件是什么？
- 文件是对 磁盘的抽象
- 所谓文件 是指 一组带标识（标识即为文件名）的、在逻辑上有完整意义的信息项的序列。
- 信息项：构成文件内容的基本单位（单个字节，或多个字节），各信息项之间具有顺序关系
- 文件内容的意义：有文件建立者和使用者解释
文件系统：
- 操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用
文件的分类：
按文件性质和用途分类（UNIX）
普通文件；目录文件；特殊文件（设备文件）；管道文件；套接字
普通文件（regular）
- 包含了用户的信息，一般为ASCII或二进制文件
目录文件（directory）
- 管理文件系统的系统文件
特殊文件（special file）
- 字符设备文件：和输入输出有关，用于模仿串行I/O设备，例如终端，打印机，网卡等，
- 块设备文件：磁盘
文件属性：
- 文件控制块
- 为管理文件而设置的数据结构，保存管理文件所需的所有有关信息
（文件属性或元数据）
- 常用属性
- 文件名，文件号，文件大小，文件地址，创建时间，最后修改时间，最后访问时间，保护，口令创建者，当前拥有者，文件类型，共享计数，各种标志（只读、隐藏、系统、归档、ASCII/二进制、顺序/随机访问、临时文件、锁）
文件目录：
统一管理每个文件的元数据，以支持文件名到文件物理地址的转换。
将所有文件的管理信息组织在一起，即构成文件目录
目录文件
- 将文件目录以文件的形式存放在磁盘上
目录项：
- 构成文件目录的基本单元
- 目录项可以是FCB，目录是文件控制块的有序集合。
与目录相关的概念：
- 路径名（文件名）
- 从根目录开始
- 从当前目录开始
- 当前目录/工作目录
- 目录操作
- 创建目录、删除目录
- 读目录、写目录、改名、复制
连续结构的优缺点
优点：
- 简单
- 支持顺序存取和随机存取
- 所需的磁盘寻道次数和寻到时间最少
- 可以同时读入多个块，检索一个块也很容易
缺点：
- 文件不能动态增长
- 预留空间：浪费或 重新分配和移动
链接结构
- 一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中，各块之间通过指针连接，前一个物理块指向下一个物理块
优点：
- 提高了磁盘空间利用率，不存在外部碎片问题
- 有利于文件插入和删除
- 有利于文件动态扩充
缺点：
- 存取速度慢，不适于随机存取
- 可靠性问题，如指针出错
- 更多的寻道次数和寻道时间
- 链接指针占用一定的空间
索引结构：
- 一个文件的信息存放在若干不连续物理块中
- 系统为每一个文件建立一个专用数据结构——索引表，并将这些物理块的块号存放在该索引表中
- 索引表就是磁盘块地址数组，其中第i个条目指向文件的第i块
优点：
保持了链接结构的优点，有解决了其缺点
- 既能顺序存取，又能随机存取
- 满足了文件动态增长、插入删除的要求
- 能充分利用磁盘空间
缺点：
- 较多的寻道次数和寻道时间
- 索引表本身带来了系统开销
- 如：内存、磁盘空间，存取时间
索引表的组织方式：
问题：索引表很大，需要多个物理块存放时怎么办？
- 链接方式
- 一个盘块存一个索引表，多个索引表连接起来
- 多级索引方式
- 将文件的索引表地址放在另一个索引表中
- 综合模式
- 直接索引方式 与 间接索引方式 结合
内存中所需的数据结构——以UNIX为例
- 系统打开文件表
- 整个系统一张
- 放在内存：用于保存已打开文件的FCB
FBC(i节点)信息 | 引用计数 | 修改标记 |
- 用户打开文件表
- 每个进程一个
- 进程的PCB中记录了用户打开文件表的位置上
文件描述符 | 打开方式 | 读写指针 | 系统打开文件表索引 |
目录文件实现时的改进
提问：如何加快目录检索？
一种解决方案：
目录项分解法：即把FCB分成两部分
- 符号目录项
- 文件名，文件号
- 基本目录项
- 除文件名外的所有字段
例子：UNIX的I节点（索引节点或inode）
UNIXwen文件系统
- FCB=目录项+i节点
- 目录项：文件名+i节点号
- 目录文件由目录项构成
- i节点：描述文件的相关信息
- 每个文件由一个目录项、一个i节点和若干磁盘块构成
Windows——FAT16文件系统
- 簇大小：1、2、4、8、16、32或64扇区
- 文件系统的数据记录在“引导扇区”中
- 文件分配表FAT的作用
- 描述簇的分配状态、标注下一簇的簇号等
- FAT表项：2字节
- 目录项：32字节
- 根目录大小固定
文件分配表FAT
- 可以把文件分配表看成是一个整数数组，每个整数代表磁盘分区的一个簇号
- 状态
- 未使用、坏簇、系统保留、被文件占用（下一簇簇号）、最后一簇（0xFFFF）
- 簇号从0开始编号，簇0和簇1是保留的
文件操作的实现
创建文件：
建立系统与文件的联系，实质是建立文件的FCB（文件控制块）
- 在目录中为新文件建立一个目录项，根据提供的参数及需要填写相关内容
- 分配必要的储存空间
打开文件：
- 根据文件名在文件目录中检索，并将改文件的目录项读入内存，建立相应的数据结构，为后续的文件操作做好准备
- 文件描述符/文件句柄
文件系统的管理
文件系统
可靠性：
抵御和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力
- 坏块问题
- 备份
- 通过转储操作，形成文件或文件系统的多个副本。
文件系统备份：
全量转储：
- 定期将所有文件拷贝到后援存储器
增量转储：
- 只转储修改过的文件，即两次备份之间的修改，减少系统开销
物理转储：
- 从磁盘第0块开始，将所有磁盘块按序输出到磁带
逻辑转储：
- 从一个或几个指定目录开始，递归地转储自给定日期后，所有更改的文件和目录。
文件系统一致性：
问题的产生：
- 磁盘——>内存——>写会磁盘块
- 若在写回之前，系统崩溃，则文件系统出现不一致
解决方案：
- 设计一个使用程序，当系统再次启动时，运行该程序，检查磁盘块和目录系统
文件系统的写入策略：
通写
- 内存中的修改立即写到磁盘
缺点：速度性能差
例：FAT文件系统
延迟写
- 利用回写缓存的方法得到高速
- 可恢复性差
可恢复写
- 采用事务日志来实现文件系统的写入
- 既考虑安全性，有考虑速度性能。
- 例：NTFS
文件的安全性
文件保护机制
- 用于提供安全性、特定的操作系统机制
- 对拥有权限的拥护，应该让其进行相应操作，否则，应禁止
- 防止其他用户冒充对文件操作
UNIX的文件访问控制
- 采用文件的二级存取控制
- 审查用户的身份、审查操作的合法性
文件系统的性能问题
磁盘服务
—》速度成为系统性能的主要瓶颈之一
设计文件系统应尽可能减少访问次数
提高文件系统性能的方法：
- 目录项（FCB）分解、当前目录、磁盘碎片整理、块高速缓存、磁盘调度、提前读取、合理分配磁盘空间、信息的优化分布、RAID技术.......
详细如下：
块高速缓存
又称为文件缓存、磁盘高速缓存、缓冲区高速缓存
是指：在内存中为磁盘块设置的一个缓存区，保存了磁盘中某些块的副本
- 检查所有的读者请求，看所需块是否在高速缓存
- 如果在，则可直接进行读写操作；否则，先将数据读入块高速缓存，再拷贝到所需的地方
关于实现：
- 块高速缓存的组织
- 块高速缓存的置换（修改LRU）
- 块高速缓存写入策略
提前读取：
- 思路：每次访问磁盘，多读入一些磁盘块
- 依据：程序执行的空间局部性原理
- 开销：较小（只有数据传输时间）
- 具有针对性
Windows的文件访问方式
不使用文件缓存
- 普通方式
- 通过Windows提供的FlushFileBuffer函数实现
使用文件缓存
- 预读取。每次读取的块大小、缓冲区大小、置换方式
异步模式
- 不再等待磁盘操作的完成
- 使处理器和I/O并发工作
用户对磁盘的访问通过访问文件缓存 来实现
- 由Windows的Cache Manager实现对缓存的控制
- 读取数据的时候预取
- 在Cache满时，根据LRU原则清除缓存的内容
- 在定期更新磁盘内容使其与Cache一致（1秒）
Write-back机制
- 在用户要对磁盘写数据时，只更改Cache中的内容，由Cache Manager决定何时将更新反映到磁盘
合理分配磁盘空间：
- 分配磁盘块时，把有可能顺序存取的块放在一起
- ——>尽量分配在同一柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数和距离
磁盘调度
- 当有多个访盘请求等待时，采用一定的策略，对这些请求的服务顺序调整安排
- ——》降低平均磁盘服务时间，达到公平、高效
- 公平：一个I/O请求在有限时间内满足
- 高效：减少设备机械运动带来的时间开销
RAID技术的思想
数据是如何组织的？
- 通过把多个磁盘组织在一起，作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能
- 通过把数据分成多个数据块，并行写入/读出多个磁盘，以提高数据传输率（数据分条stripe）
- 通过镜像或校验操作，提供容错能力
RAID 0——条带华
主体思想—— 无冗余（即无差错控制）性能最佳
- 数据分布在阵列的所有磁盘上
- 有数据请求时，同时多个磁盘并行操作
- 充分利用总线带宽，数据吞吐率提高，驱动器负载均衡
RAID 1——镜像
主体思想——数据安全性最好
- 最大限度保证数据安全及可恢复性
- 所有数据同时存在于两块磁盘的相同位置
- 磁盘利用率%50
RAID 4 交错块奇偶校验
- 带奇偶校验
- 以数据块为单位
