操作系统原理第十一章文件系统实现

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第十一章文件系统实现

11.1 文件系统

1、文件系统概述

在存储设备上组织文件的方法和数据结构

操作系统中负责管理和存储文件信息的模块

文件系统大多数存在于操作系统之中，但是一些微内核没有文件系统

系统角度：

对存储设备的空间进行组织和分配
负责文件检索、读写等操作
目标：存取速度和存储空间效率

用户角度：

提供按名存取的文件访问机制
文件的组织管理
目标：方便的文件存取机制

2、文件系统层次架构

基本文件系统

物理块读写

向设备驱动程序发送控制命令

文件组织模块

管理文件、逻辑块和物理块

把文件的逻辑地址转换为物理地址、管理空闲空间、为文件分配物理块

逻辑文件系统

管理文件系统中的元数据：除了文件数据外的所有结构数据

文件按名存取、文件目录管理、管理FCB、存储保护

3、文件系统实现

物理块：一个或多个扇区组成，基本文件读写单位

分区：Partition

卷（逻辑磁盘）：Volume，磁盘上的逻辑分区，建立在物理分区上

两种文件系统

磁盘文件系统
内存文件系统

4、磁盘文件系统

5、内存文件系统

分区表：所有安装分区信息

系统打开文件表、进程打开文件表

目的：通过缓冲技术来提高文件系统性能

6、虚拟文件系统

目的：支持多个文件系统

把多个文件系统整合成一个目录结构

为用户屏蔽各个文件系统的差异

虚拟文件系统 VFS

文件系统接口：统一的应用程序访问文件的接口

VFS接口：为各类不同的文件系统定义VFS接口

7、网络文件系统

NFS：节省存储空间、实现共享

访问远程文件系统

8、常用文件系统

Windows：FAT NTFS ReFS

Linux：Ext(Ext2 3 4 )

Mac OS：HFS

11.2 存储空间分配方式

物理块

读写存储设备的基本单位

存储设备的基本分配单位

和内存的页面大小相对应

逻辑块：在文件空间中的块

大小和物理块一致
一个逻辑块存储在一个物理块中

连续分配

每个文件在磁盘上占用一组连续的物理块

FCB仅给出：起始块号和长度

缺点：

浪费空间（小空间无法分配）
文件不能动态增长（文件A）
不利于文件的插入和删除（需要移动数据）

链接分配

离散物理块分配

显示分配、隐式分配

隐式链接：物理块中给出下一个块的指针地址

优点：可以扩展分配，便于文件的插入和删除

缺点：无法实现随机访问，访问文件慢

显示链接：把指针拿出来，集中存在一起

大大提高了检索的速度

FAT表，不适合大容量的磁盘 File Allocation Table，一个分区有两张FAT表

链接表大小：表项16位，就是128KB 表项32位，就是16GB

索引分配

分散的FAT，每个文件都给它分配一张FAT表，即索引表

索引块：存放指向文件每个物理块块号的物理块

地址映射：

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9PUqUGJX-1641540972514)(E:\文档和PPT\大三课程学习\操作系统\Pictures\第十一章\索引表地址映射.png)]$

多级索引

大于4MB的文件，需要用多级索引的方法

联合策略混合策略

Unix中的iNode

3级索引支持 48KB + 4MB + 4GB + 4 TB，既然你要使用3级索引，那么你前面的直接索引、一级索引、二级索引都使用完了，才会使用3级索引

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ve9W3Khr-1641540972516)(E:\文档和PPT\大三课程学习\操作系统\Pictures\第十一章\混合索引方式.png)]$

11.3 空闲空间管理

空闲表

空闲表直接采用类似数组的方式管理

空闲链表

将磁盘中所有空闲块链接在一起

位示图

利用二进制一位 bit来表示一个块的使用情况

1：盘块空闲

0：盘块已分配

学会计算第几行第几列，块号的计算

位示图需要额外的空间

block size = 2^12 bytes

disk size = 2^30 bytes

n = 2^30 / 2^12 = 2^18 bits

位示图存放在物理块中，小容量的磁盘空间管理

成组链接

结合了空闲表和空闲链表

例子：UNIX系统

将空闲块分成若干组，每100个块作为一组

每组第一空闲块包含：

空闲块总数
下一组空闲块首块的地址
本组其他空闲块的块号列表

慕课单元作业

1、一个文件有20个磁盘块（块号：0-19），假设文件控制块在内存（如果文件采用索引分配，索引表不在内存）。在下列情况下，请计算在连续分配，链接分配，单级索引分配三种分配方式下，分别需要多少次磁盘I/O操作？（每读入或写出一个磁盘块需要一次磁盘I/O操作，另外，假设在连续分配方式下，文件头部无空闲的磁盘块，但文件尾部有空闲的磁盘块。
1）在文件开始处删除一个磁盘块；
2）在文件第15块前添加一个磁盘块并写入内容；
3）在文件结尾处删除一个磁盘块；
4）在文件结尾处增加一个磁盘块并写入内容。

（1）连续分配：0次，直接修改FCB的起始块号和长度

链接分配隐式：1次，先读取第二块的块号，然后修改FCB起始块号

单级索引：2次，读入索引表，并修改索引块中索引项，然后写入磁盘块

（2）连续分配：读取块号14-19，写入15-20块号，还有一个写入新的块，13次

链接分配：隐式：读取前14个块找到指向第15块的指针 14次，新块写入内容和旧的15号的地址，14号块写入新块的地址，一共16次

单级索引：3次，读入索引块内容，修改索引项并写入磁盘块，写入新块的内容

（3）连续分配：0次，直接修改FCB表的长度

链接分配：隐式：20次，前19次读取第二十块的地址，然后修改地址为-1表示第19块为结束块

单级索引：2次，读入索引表，并修改索引块中索引项的内容

（4）连续分配：1次，写入内容，并修改FCB的文件长度

链接分配：隐式：22次，前20次找到第二十块的内容，然后写入新块的内容，最后将第二十块的指针修改为指向新块的地址

单级索引：3次，读入索引块内容，修改索引项并写入磁盘块，写入新块的内容

2、目录文件采用链接式，每个磁盘块存放10个下级文件的描述，最多存放40个下级文件，若下级文件为目录文件，上级目录指向该目录文件的第一块，否则指向普通文件的文件控制块。普通文件采用二级索引形式，文件控制块中给出12个磁盘块地址，前10个磁盘块地址指出前10页的物理地址，第11个磁盘块地址指向一级索引表，一级索引表给出256个磁盘块地址，即指出该文件第10页至第265页的地址，第12个磁盘块地址指向二级索引表，二级索引表中指出256个一级索引表的地址。请问：

‏

‌1）该文件系统中的普通文件最大可有多少页？

‏ 最大 = 10 + 256 + 256*256 = 65802页

‌2）若要读文件/A/D/K/Q中的某一页，最少要启动磁盘几次？最多要启动磁盘几次？（每读一个磁盘块需要启动一次磁盘操作）

‏

	最少	最多
内存/->A	0	0
A->D	1	4
D->K	1	4
K->Q	1	4
Q->FCB	1	1
FCB->某一页	1	3
总计	5	16

在这里插入图片描述

3、设想一个在磁盘上的文件系统的逻辑块和物理块的大小都为512B。假设每个文件的ＦＣＢ已经在内存中，对3种分配方法（连续分配，显式链接分配和单级索引分配），请问：

‏1）逻辑地址到物理地址的映射在系统中如何实现？

‏2）举一个例子说明单级索引分配中，逻辑地址到物理地址的映射过程。

假设逻辑地址为LA，逻辑块和物理块512B为 S，逻辑地址的相对起始地址为G

（1）连续分配：LA/S = Q…R Q为逻辑块号，R为块内偏移

B = Q + FCB中记录的起始块号 D = R

物理地址（B，D）

显示链接：LA/S = Q…R Q为逻辑块号，R为块内偏移

B = Q和G得到在链接表中的物理块号 D = R

物理地址（B，D）

单级索引：LA/S = Q…R Q为逻辑块号，R为块内偏移

B = 索引表中第Q项对应的物理块号 D = R

物理地址（B，D）

（2）举例子说明，假设逻辑地址为1028，文件的索引块内容按照索引如下 6 1 13 -1 -1 -1

则，1028 /512 = 2 …4

查找索引表为13号，则物理地址为 PA = (13, 4)

4、请举一个具体文件系统的例子，来说明文件系统一般由哪些内容组成？

文件系统一般由文件分类、文件目录结构、文件逻辑结构、文件物理结构、储存器管理、系统调用、磁盘结构

例如： UNIX文件系统，文件分类有普通文件、目录文件、设备文件三种，

文件逻辑结构：无结构的流式文件，

文件物理结构：多重索引结构，

文件目录结构：图型目录，采用硬链接实现文件共享，采用索引节点提高文件访问效率，

文件储存器管理：空闲空间管理：成组链接；

磁盘结构：物理结构，盘片、磁头、主轴

内存结构：单进程的打开文件表，系统的打开文件表（包括读写标志、共享该读写指针的进程数、活动节点号，读写指针等）

文件系统调用：建立文件、删除文件、读文件、打开文件、关闭文件、文件指针定位、文件连结、设置文件权限、建立管道文件、复制文件等函数，实现文件操作和文件保护。