《操作系统导论》学习笔记（十）：文件系统（持久化）

文件系统

文件：具有符号名，由字节序列构成的数据项集合

• 普通文件：包含用户的信息，一般为 ASCII 或二进制文件。
• 目录文件：管理文件系统的系统文件。
• 特殊文件：字符设备文件(I/O设备)、块设备文件(磁盘)。

文件系统：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。

• 用户要查看文件 F 中的内容，对操作系统发出指令，从而经过第一层的用户调用接口。
• 操作系统得到命令后，需要查找目录以查找文件 F 的文件控制块 FCB，从而经过第二层文件目录系统。
• 通过目录找到文件 FCB 后，查看文件 FCB 上的权限信息，验证当前用户是否拥有文件访问权限，从而进过第三层存取控制模块。
• 用户通过验证后，操作系统将根据文件的逻辑结构将逻辑记录转换为相应逻辑地址，从而经过第四层逻辑文件系统与文件信息缓冲区
• 操作系统在物理文件系统中将逻辑地址转换为物理地址

用户调用接口

文件目录系统

文件控制块(FCB)：描述和控制文件属性的数据结构，文件控制块和文件一一对应。常用属性包括文件名、文件大小、物理位置、控制权限、逻辑结构和物理结构等。

文件目录：文件控制块的有序集合，一个文件控制块就是一个目录项。
目录文件：文件目录以文件的形式存放在磁盘上。

文件目录的逻辑结构可分为单级目录结构、两级目录结构和多级目录结构。

• 单级目录结构：整个文件系统只建立一张目录表，每个文件对应一个目录项。
  
• 两级目录结构：目录分成 主文件目录(MFD) 和 用户文件目录(UFD)，主文件目录记录用户名及其用户文件目录的存储位置，用户文件目录记录文件的位置。
  
• 多级目录结构：两级目录结构层次关系的推广，从根目录出发的路径称为 绝对路径，从当前目录出发的路径称为 相对路径，目录名与数据文件名使用 / 链接。
  

逻辑文件系统

逻辑结构 是从用户观点看到的文件组织形式。

• 流式文件：文件是有逻辑意义、 无结构的一串字符的集合。流式文件没有结构，因而只能按字节穷举寻找文件。
• 记录式文件：文件由若干个记录组成，可以按记录进行读、写、查找等操作。记录式文件的组织形式可以分为顺序文件、索引文件、散列文件等。
  

存取控制模块

为了防止未经核准的用户修改文件，文件系统必须控制用户对文件的存取，即解决对文件的读、写、执行的许可问题，必须建立相应的保护机制。

存取控制力模块包括用户身份验证和访问控制：

• 口令保护：用户建立一个文件时提供一个口令，系统为文件建立 FCB 时附上相应口令，用户请求访问时必须提供相应口令。
• 加密保护：用户对文件进行加密，文件被访问时需要密钥，安全性更高
• 访问控制：最常用的方法是根据用户身份进行控制，系统为每个文件和目录增加一个访问控制列表，审查用户的身份、审查操作的合法性
  

物理文件系统

磁盘是文件存储的物理介质，可划分为大小相等的物理块，独立存储传输信息。

物理结构 是文件在磁盘上的存储组织形式，可分为非空闲块的物理结构和空闲块的物理结构。

非空闲块的物理结构包括连续结构、链式结构和索引结构。

• 连续结构：文件信息放在若干连续的物理块中。磁盘寻道次数和时间最少，随机存取速度快，但不利于文件动态扩充，只适合长度固定的文件。
  
• 链接结构：文件信息存放在若干不连续的物理块中，物理块之间通过指针连接。提高磁盘利用率，有利于动态扩充，但磁盘寻道次数和时间增多，只能顺序存取。
  
• 索引结构：文件信息存放在若干不连续物理块中，系统为系统为每个文件建立一个索引表，每个索引表条目对应一个物理块。保持链接结构的优点，能够随机存取，但磁盘寻道次数和时间增多，索引表占据空间。
  
  空闲块的物理结构包括空闲表法、空闲链接法和空闲块链表。
• 位图法：利用二进制的一位表示磁盘中一个盘块的使用情况，每个物理块对应一位，分配物理块为0 ，否则为1。
• 空闲块表是将所有空闲块记录在一个表，表项包括起始块号、块数；空闲块链表是把所有空闲块链成一个链。

文件系统实现

磁盘分区：把一个物理磁盘的存储空间划分为几个相互独立的部分，称为分区
块或簇： 一 个或多个（2 的幂）连续的扇区，可寻址的数据块
文件卷：磁盘上的逻辑分区，由一个或多个物理块( 簇)组成，可以是 整个磁盘 或 部分磁盘 或 跨盘（RAID）

• 引导区：包含从该卷引导操作系统所需的信息，每个分区一个，通常为第一个扇区
• 分区信息：包含该分区的块数和大小 、空闲块数量和指针、空闲 FCB 数量和指针
• 目录文件：包含根目录文件和其他目录文件
• 用户文件：空闲区文件和非空闲区文件

1. FAT文件系统

FAT12、FAT16和FAT32的数字表示文件分配表的位数，FAT文件系统的簇大小分为1、2、4、8、16、32或64扇区

• 引导区：保存文件系统的数据记录，分为主引导记录 MBR 和分区引导记录 DBR，主引导记录包含引导代码、分区表项和扇区结束标志
• 文件分配表FAT：表项大小为 2 字节，描述簇的分配状态、标注下一簇的簇号等，分配状态未使用、坏簇、系统保留、被文件占用（下一簇簇号）、最后一簇（0xFFFF），文件分配表FAT同时管理空闲块和非空闲块，承担管理分区信息的作用
• 根目录：目录项大小为 32 字节，记录文件系统的所有目录文件的位置，访问一个文件分为两步骤
  
• 目录检索：用户给出文件名 → 按文件名查找到目录项/FCB
• 文件寻址：根据 目录项/FCB 中文件物理地址等信息，计算出文件中任意记录或字符在存储介质上的地址

2. Unix文件系统

超级数据块包含了 i节点表 和 空闲区管理 等重要的文件系统信息，inode维护文件到物理块的映射关系，空闲块的管理是通过成组链接法来实现的，三者作用相当于文件分配表FAT

FCB分解法加快目录检索，即把FCB=符号目录顶+基本目录项两部分，符号目录顶包含文件名和文件号，基本目录项包含文件号和其他信息。

Unix的基本目录项是 inode，符号目录顶称为目录项，每个文件由一个目录项、一个inode和若干磁盘块构成。每次检索时，系统只需要检索目录项，然后按照目录项的文件号（inode指针）查询 inode，如此循环直至找到目标文件。

目录是存在磁盘上的，所以检索目录的时候需要访问此案，速度很慢，而FCB分解法将FCB的一部分数据分解出去，存放在另一个数据结构当中，而在目录中仅留下文件的基本信息和指向该数据结构的指针，有效缩减目录的体积，减少目录所占的磁盘块数，检索目录时读取磁盘的次数页减少。

例题：在实现文件系统时，为加快文件目录的检索速度，可利用 ”FCB分解法“。假设目录文件存放在磁盘上，每个磁盘 512B，FCB 占 64B，符号目录项占 10B，基本目录项占 56B。

(1) 假设某一目录文件有254个FCB，分别给出采用分解法前和分解法后，查找文件的某一个FCB的平均访问磁盘次数。

解：分解前，目录的磁盘块数为 64*254/512=31.75，即 32 块
所找的目录项在第1, 2, 3 … , 32 块所需的磁盘访问次数分别为 1, 2, 3 … , 32 次，
所以平均访问磁盘次数=(1+2+3+…+32)/32=16.5 次

分解法后，目录的磁盘块数为 10*254/512=4.96，即 5 块
因为 FCB 分解法将 FCB 的部分内容放在目录外，所以检索完目录后还需读取一次磁盘找齐 FCB 的所有内容
所找的目录项在第第1, 2, 3, 4, 5块所需的磁盘访问次数分别为 2, 3, 4, 5, 6 次，
所以平均访问磁盘次数=(2+3+4+5+6)/5=4 次

(2) 若目录文件分解前占用 n 个盘块，分解后改用 m 个盘块存放文件名和文件号，请给出访问磁盘次数减少的条件。

解：分解法前平均访问磁盘次数=(1+2+3+…+n)/n=(n+1)/2次
分解法后平均访问磁盘次数=(2+3+4+…+(m+1))/m=(m+3)/2次
显然 (m+3)/2<(n+1)/2，即 m<n-2

磁盘访问优化

一次访盘请求：

• 寻道：磁头移动定位到指定磁道
• 旋转延迟：等待指定扇区从磁头下旋转经过
• 数据传输：数据在磁盘与内存之间实际传输

一次访盘时间=寻道时间 $T_n$ +旋转延迟时间 $T_r$+传输时间 $T_t$

• 寻道时间 $T_n$ =启动磁臂时间 $2ms$+磁头移动单条磁道时间 $0.2ms$ * 磁道数 $n$
• 旋转延迟时间 $T_r$ = $1/(磁盘旋转速度r\times 2)$
• 数据传输时间 $T_t$ = $传输的字节数b/(磁盘旋转速度r\times 一个磁道的字节数N)$

1. 磁盘调度(寻道时间)

假设磁盘访问序列：98 ，183 ，37 ，122 ，14 ，124 ，65 ，67，读写头起始位置：53，要求计算磁头服务序列和磁头移动总距离。

先来先服务(FCFS)：按访问请求到达的先后次序服务

磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124，65，67，磁头移动总距离是 640 磁道

最短寻道时间优先(SSTF)：优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务

磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124， 65，67，磁头移动总距离是 236 磁道

扫描算法(SCAN)：当 设备无访问请求时，磁头不动；当有访问请求时，磁头按一个方向移动，在移动过程中对遇到的访问请求进行服务，然后判断该方向上是否还有访问请求，如果有则继续扫描；否则改变移动方向，并为经过的访问请求服务，如此反复

磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124， 65，67，磁头移动总距离是 218 磁道

2. 信息的优化分布(旋转延迟)

记录在磁道上的排列方式也会影响输入输出操作的时间

处理程序要求顺序处理8 个记录；磁盘旋转一周为 20 ms/r；花5毫秒对一个记录进行处理

解：读取一个扇区需要时间：$20/8=2.5ms$，处理一个记录需要 $5ms$
按顺序处理8个记录，磁盘1每个记录的处理间隔 $7\ast 2.5ms=17.5ms$，前7个记录处理时间为$17.5ms\ast 7=122.5ms$，最后一个记录为 $2.5+5=7.5ms$，所以总处理时间为 $130ms$

按磁盘处理8个记录，磁盘2每个记录的处理间隔 $5\ast 2.5ms=12.5ms$，前7个记录处理时间为$12.5ms\ast 7=87.5ms$，最后一个记录为 $2.5+5=7.5ms$，所以总处理时间为 $95ms$

3. 合理分配磁盘空间(寻道时间)

分配磁盘块时，把有可能顺序存取的块分配在同一柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数和距离

减少磁盘访问

块高速缓冲区：利用程序执行的时间局部性，在内存中为磁盘块设置一个缓冲区，保存磁盘中某些块的副本。访问内存块时，先查询块高速缓存，再查询磁盘

提前读取：利用程序执行的空间局部性，每次访问磁盘，多读取一些磁盘块

参考文献

《操作系统原理》陈向群
C语言文件操作