OS學習筆記六：檔案系統

一、檔案與檔案系統

1、檔案是什麼？

• 檔案 是 對磁碟的 抽象

• 所謂檔案 是指 一組帶標識（標識即為檔名）的、在邏輯上有完整意義的資訊項的序列

• 資訊項：構成檔案內容的基本單位（單個位元組，或多個位元組），各資訊項之間具有順序關係

• 檔案內容的意義：由檔案建立者和使用者解釋

2、檔案系統

• 作業系統中統一管理資訊資源的一種軟體，管理檔案的儲存、檢索、更新，提供安全可靠的共享和保護手段，並且方便使用者使用

• 統一 管理磁碟空間，實施磁碟空間 的分配與回收

• 實現檔案的按名存取

  名字 空間 對映 磁碟空間

• 實現檔案資訊的共享，並提供檔案的 保護、保密手段

• 向 使用者提供一個方便 使用、易於維護 的 介面，並向 使用者提供 有關統計資訊

• 提高檔案系統的效能

• 提供與I/O 系統的 統一 介面

3、檔案分類

按檔案性質和用途分類（UNIX ）：

• 普通檔案、目錄檔案、特殊檔案( 裝置檔案) 、管道檔案、套接字

• 普通檔案(regular)：包含 了使用者的資訊，一般為ASCII 或二進位制檔案

• 目錄檔案(directory)：管理 檔案系統的系統檔案

• 特殊檔案(special file)：

  • 字元 裝置檔案：和輸入輸出有關，用於模仿序列I/O裝置，例如終端，印表機， 網 卡 等

  • 塊 裝置檔案

二、檔案的儲存介質

1、物理塊（塊block 、簇cluster ）

• 資訊儲存 、傳輸、 分配的獨立單位
• 儲存裝置劃分為大小相等的物理塊，統一編號

2、典型磁碟結構

任何時刻只有一個磁頭處於活動狀態：輸入輸出資料流以位串形式出現

實體地址形式 ： 磁頭號（盤面號）、磁軌號（柱面號）、扇區號

扇區 ：標題(10 位元組) 、資料(512 位元組) 、ECC 糾錯資訊(12-16 位元組)

磁臂帶動磁頭按照碟片的半徑方向移動

碟片中間的軸可以帶動碟片旋轉，平常所的多少轉就是指的這個

3、磁碟的訪問

一次訪盤請求：

讀/ 寫，磁碟地址（裝置號，柱面號，磁頭號，扇區號），記憶體地址（源/ 目）

完成過程由三個動作組成：

• 尋道（時間） ：磁頭移動定位到指定磁軌

• 旋轉延遲（時間） ：等待指定扇區從磁頭下旋轉經過

• 資料傳輸（時間） ：資料在磁碟與記憶體之間的實際傳輸

SSD沒有前兩步

三、磁碟的空間管理

1、有關的資料結構

• 點陣圖法

  • 用一串二進位制位反映磁碟空間中分配使用情況，每個物理塊對應一位，分配物理塊為0 ，否則為1

  • 申請物理塊時，可以在位示圖中查詢為1 的位，返回對應物理塊號

  • 歸還時，將對應位 轉置1

• 空閒塊表

  • 將 所有空閒塊記錄在一個表中，即空閒塊表

  • 主要兩項內容：起始塊號，塊數

• 空閒塊連結串列

  • 把所有空閒塊鏈成一個鏈

  • 擴充套件：成組連結法

2、磁碟地址與塊號的轉換

已知塊號，則磁碟地址：

柱面號＝[ 塊號/ （磁頭數 × 扇區數）]
磁頭號＝[ （塊號mod  （磁頭數 × 扇區數））/ 扇區數]
扇區號＝（塊號mod  （磁頭數 × 扇區數））mod  扇區數

已知磁碟地址：

塊號＝柱面號 × （磁頭數 × 扇區數）＋磁頭號 × 扇區數＋扇區號

點陣圖計算公式：

已知字號i 、位號j  ： 塊號＝i × 字長＋j
已知塊號： 字號＝[  塊號/ 字長] 位號＝塊號 mod 

點陣圖計算公式：

已知字號i 、位號j ： 塊號＝i × 字長＋j

已知塊號： 字號＝[ 塊號/ 字長] 位號＝塊號 mod 字長

四、檔案控制塊及檔案目錄

1、檔案屬性

• 檔案控制塊（File Control Block ）
  為管理檔案而設定的資料結構， 儲存 管理檔案所需的所有有關資訊（檔案屬性或後設資料）

• 常用屬性
  檔名，檔案號 ，檔案大小 ， 檔案地址 ， 建立時間，最後修改時間，最後訪問時間， 保護，口令，建立者，當前擁有者，檔案型別，共享計數，各種標誌( 只讀、隱藏、系統、歸檔、ASCII/ 二進位制、順序/ 隨機訪問、臨時檔案、鎖)

2、檔案目錄、目錄檔案、目錄項

• 檔案目錄

  • 統一 管理每個檔案 的後設資料，以支援檔名到檔案實體地址的轉換

  • 將所有檔案的管理資訊組織在一起，即構成檔案目錄

• 目錄檔案

  • 將檔案目錄以檔案的形式存放在磁碟上

• 目錄項

  • 構成檔案目錄的基本單元

  • 目錄項 可以 是FCB ， 目錄是 檔案控制 塊的有序集合

五、檔案的物理結構

1、檔案的物理結構

• 檔案 在儲存介質 上的存放方式

• 主要解決兩個問題：

  • 假設一個檔案被劃分成N 塊，這N 塊在磁碟上是怎麼存放的？

  • 其地址( 塊號或簇號) 在FCB

2、Unix的三級索引結構

UNIX 檔案系統採用的是多級索引結構( 綜合模式)

• 每個檔案的索引表有15 個索引項，每項2 個位元組

• 前12 項直接存放檔案的物理塊號（直接定址）

• 如果檔案大於12 塊，則利用第13 項指向一個物理塊，在該塊中存放檔案物理塊的塊號（一級索引表）假設扇區大小為512 位元組，物理塊等於扇區塊大小，一級索引表可以存放256 個物理塊號

• 對於更大的檔案還可利用第14 和第15 項作為二級和三級索引表

試問：採用這種結構，一個檔案最大可達到 ？ 個物理塊

六、檔案系統的實現

1、概述

• 實現檔案系統需要考慮
  磁碟上 與 記憶體中 的 內容 佈局
• 磁碟上
  
  • 如何啟動作業系統？
  • 磁碟是怎樣管理的？怎樣獲取磁碟的有關資訊？
  • 目錄檔案在磁碟上怎麼存放？普通檔案在磁碟上怎麼存放？
• 記憶體中
  
  • 當程式 使用檔案時 ，作業系統是如何支援的？
  • 檔案系統的記憶體資料結構

2、相關術語

• 磁碟分割槽(partition) ：
  把 一個 物理磁碟 的儲存空間劃分為幾個相互獨立的部分，稱為 分割槽

• 檔案卷(volume) ：磁碟上的邏輯分割槽，由一個或多 個物理塊( 簇) 組成

  • 一個檔案卷 可以是整個磁碟 或 部分磁碟 或 跨盤（RAID ）

  • 同 一個檔案卷中 使用同一份管理資料 進行檔案 分配和磁碟空閒空間管理 ，不同 的檔案卷 中的 管理 資料是相互獨立的

  • 一個檔案 捲上：包括檔案系統 資訊、一組檔案（使用者檔案、目錄檔案）、未分配空間

  • 塊 （Block ）或 簇 （Cluster ） ： 一 個或多個（2 的冪）連續的 扇區，可 定址資料塊

• 格式化(format) ：在一個檔案捲上建立檔案系統，即建立並初始化 用於檔案 分配和磁碟空閒空間管理的 管理資料

3、磁碟上的內容

• 引導 區

  包括 了 從該卷引導作業系統所需要的資訊每個卷（分割槽）一個，通常為第一個扇區

• 卷（分割槽）資訊

  包括該卷（分割槽）的塊（簇）數、 塊（簇）大小 、空閒 塊（簇）數量 和指標、空閒FCB 數量和指標……

• 目錄檔案( 根目錄檔案及其他目錄檔案)
• 使用者檔案

4、記憶體中需要的資料結構–以UNIX為例

七、檔案系統例項–UNIX

1、檔案目錄檢索

2、目錄檔案實現時改進

• 提問：如何加快目錄檢索？

• 一種解決方案：

  目錄項分解法：即把FCB 分成兩部分

  • 符號目錄頂

    檔名，檔案 號

  • 基本目錄項

    除 檔名 外的所有 欄位

  例子：UNIX 的I 節點（索引節點 或 inode）

3、改進後的好處

4、UNIX檔案系統

• FCB = 目錄項 + i 節點

• 目錄項：檔名 + i 節點號

• 目錄 檔案由目錄項構成

• i 節點 ：描述檔案的相關 資訊

• 每個檔案由一個目錄項、一個i 節點和若干磁碟塊構成

八、檔案系統例項——FAT

1、檔案分配表FAT

• 可以把檔案分配表 看成 是 一個整數陣列 ，每個 整數 代表 磁碟分 區 的一個簇 號

• 狀態

  未使用、壞簇、系統保留、被檔案佔用（下一簇簇號）、最後一簇（0xFFFF ）

• 簇 號從0 開始編號，簇0 和簇1 是保留的

3、FAT32檔案系統

九、檔案系統的管理

1、檔案系統一致性

• 問題的產生：

  磁碟塊 → 記憶體 → 寫回磁碟塊

  若在寫回之前，系統崩潰，則檔案系統出現不一致（這裡的一不一致指的是：後設資料，比如FCB什麼的，而不是某個檔案的內容）

• 解決方案：

  設計一個實用程式，當系統再次啟動時，執行該程式，檢查磁碟塊和目錄系統

2、磁碟塊的一致性檢查

1. 如果空閒塊中值為0，而使用塊中的記錄為1，則修改空閒塊中的記錄為1

2. 如果空閒塊中值為1，而使用塊中的記錄為0，則修改空閒塊中的記錄為0

3. 如果空閒塊中值為0，而使用塊中的記錄為2，則需要重新分配一個空閒塊來儲存多出來的那份使用塊，並修改之前使用塊記錄為1

3、檔案系統的寫入策略

• 通 寫（write-through ）

  記憶體 中的修改立即寫到磁碟

  缺點 ：速度效能差

  例 ： FAT 檔案系統

• 延遲 寫（lazy-write ）

  利用回 寫（write back ）快取 的方法得到高速

  可恢復性 差

• 可 恢復寫（transaction log ）

  採用 事務日誌來實現檔案系統的寫入

  既 考慮安全性，又考慮速度效能

  例 ：NTFS

4、UNIX的檔案訪問控制

十、檔案系統的效能

1、檔案系統的效能問題

• 磁碟服務

  → 速度成為系統效能的主要瓶頸之一

• 設計檔案系統應儘可能減少磁碟訪問次數

• 提高檔案系統效能的方法：

  目錄 項(FCB) 分解 、當前目錄、磁碟 碎片 整理塊快取記憶體 、磁碟排程、提前讀取、合理分配磁
  盤空間、資訊的優化分佈、RAID 技術… …

2、塊快取記憶體（BLOCK CACHE）

又 稱為 檔案 快取 、磁碟快取記憶體 、緩衝區快取記憶體

是指： 在 記憶體中為磁碟 塊 設定的一個緩衝區， 儲存了磁碟 中 某些 塊 的副本

• 檢查所有的讀請求，看所 需塊 是否在塊快取記憶體 中

• 如果 在，則可直接進行讀操作；否則，先將資料塊讀入塊快取記憶體， 再拷貝到所需的地方

• 由於訪問的區域性性 原理 ，當一資料塊 被 讀 入 塊 快取記憶體 以滿足一個I/O 請求時， 很可能 將來還會 再次訪問 到 這 一 資料

3、提前預取

• 思路：每次訪問磁碟，多讀入一些磁碟塊

• 依據：程式執行的空間區域性性原理

• 開銷： 較小( 只有資料傳輸時間)

• 具有針對性

4、合理分配磁碟空間

分配 磁碟 塊 時，把有可能順序存取的塊放在 一起

→ 儘量 分配在同一柱面上，從而減少磁碟臂的 移動次數和距離

5、磁碟排程

• 當 有 多 個訪盤 請求等待 時，採用一定的策略，對這些請求的服務順序調整 安排

  → 降低 平均磁碟服務時間，達到公平、高效

• 公平：一個I/O 請求在有限時間內滿足

• 高效：減少裝置 機械運動帶來 的

一次訪盤時間 = 尋道時間+ + 旋轉延遲時間+ + 傳輸時間

• 減少尋道時間

• 減少延遲時間

6、磁碟排程演算法

1. 先來先 服務(FCFS)
2. 最短尋道時間 優先(Shortest Seek Time First)
3. 掃描 演算法SCAN （ 電梯演算法）
4. 單向掃描排程演算法C-SCAN
5. N-step-SCAN 策略
6. FSCAN 策略
7. 旋轉排程演算法

7、RAID技術

• RAID （獨立磁碟冗餘陣列）

  (Redundant Arrays of Independent Disks)
  多塊磁碟按照一定 要求 構成一 個 獨立的 儲存裝置

• 目標： 提高 可靠性 和 效能

• 考慮：磁碟 儲存系統 的 速度、容量、容錯、資料災難發生後的資料恢復

8、RAID技術的思想

資料是如何組織的？

• 通過 把多個磁碟組織在一起，作為一個邏輯卷提供磁碟跨越功能
• 通過 把資料分成多個資料塊， 並行 寫入/ 讀出多個磁碟，以提高資料傳輸率（ 資料分條stripe ）
• 通過 映象或校驗操作，提供容錯能力（ 冗餘 ）

最簡單的RAID 組織方式： 映象

最複雜的RAID 組織方式： 塊交錯校驗

9、RAID 0 –條帶化

• 資料分佈 在陣列的所有磁碟上

• 有資料請求時，同時多個磁碟並行操作

• 充分利用匯流排頻寬，資料吞吐率提高，驅動器負載均衡

無冗餘(即無差錯控制)

效能最佳

10、RAID 1 –映象

• 最大限度保證資料安全及可恢復性
• 所有資料同時存在於兩塊磁碟的相同位置
• 磁碟利用率50%

資料安性最好

11、RAID 4 –交錯塊奇偶校驗

• 帶奇偶校驗

• 以資料塊為單位

本文整理自：《作業系統原理》北京大學_陳向群 講義

個人微信公眾號：

作者：jiankunking 出處：http://blog.csdn.net/jiankunking