四、文件系统
1 文件系统的实现
（1）文件系统布局
磁盘的0号扇区称为主引导记录MBR，用来引导计算机。在MBR的结尾是分区表，该表给出了每个分区的起始和结束地址。表中的一个分区被标记为活动分区。一个可能的文件系统布局。
（2）文件的实现
文件存储实现的关键问题是记录各个文件分别用到哪些磁盘块
连续分配
优点
- 实现简单，记录每个文件用到的磁盘块只需两个数据即可记录，第一块的磁盘地址和文件的块数；
- 读操作性能好
缺点 - 随机读取性能低
- 碎片问题
链表分配
为每个文件构造磁盘块链表，每个块的第一个字作为指向下一块的指针，块的其他部分存放数据
- 解决了碎片问题
- 随机访问性能提高
- 每个磁盘块存储数据的字节数不再是2的整数次幂
采用内存中的表进行链表分配
i节点
http://www.ruanyifeng.com/blog/2011/12/inode.html
目录文件记载了（文件名 ，inode）对，访问文件名时会访问到inode,inode与文件名的链接使用硬链接
inode中的内容
- 文件数据block的位置
- 文件的字节数
- 文件拥有者的User ID
- 文件的Group ID
- 文件的读、写、执行权限
- 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
- 链接数，即有多少文件名指向这个inode
(3)目录的实现
目录系统的主要功能是把ASCII文件名映射成定位文件数据所需的信息
加快大型目录的查找速度可以使用散列表，根据文件名进行散列
只需知道inode的方法即可
(4)共享文件
软链接与硬链接
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-hardandsymb-links/
软链接更像windows的快捷方式，其中存储了被链接文件的绝对路径
硬链接则像是文件的别名
(5)日志文件系统
基本想法是保存一个用于记录系统下一步将要做什么的日志，这样当系统在完成它们即将完成的任务前崩溃时，重新启动后，可以通过查看日志，获取崩溃前计划完成的任务，并完成他们
对于要进行的文件操作，日志文件系统首先写一个日志项，列出要完成的动作。然后日志项被写入磁盘，只有当日志项已经被写入，对文件的操作才可以进行。当所有的操作成功完成后，擦除日志项。如果系统这时崩溃，系统恢复后，文件系统可以通过检查日志来查看是不是有未完成的操作。如果有，可以重新运行未完成的操作，直到对文件的操作完成。
- 为了让日志文件系统工作，被写入日志的操作必须是幂等的
- 为了增加可靠性，一个文件系统可以引入数据库的原子事务的概念
(6)虚拟文件系统
所有和文件相关的系统调用都通过POSIX接口指向虚拟文件系统VFS。当一个文件系统注册时，需要提供一个包含VFS所需要的函数地址的列表。VFS通过这些函数去操作一个文件系统。
2 文件系统管理和优化
(1) 磁盘空间管理
- 块大小
- 记录空闲块 磁盘块链表 位图
- 磁盘配额 对于多用户系统 软限制和硬限制
(2) 文件系统备份
要关注的问题：
- 只备份特定目录及其下的全部文件，而不是备份整个文件系统，比如没必要备份/dev目录
- 使用增量转储
- 是否进行数据压缩
物理转储
从磁盘的第0块开始，将全部磁盘块按序输出到磁带上，直到最后一块复制完毕
优点 简单快速
缺点
- 无法跳过特定目录
- 无法增量转储
- 不能满足恢复个人文件的请求
逻辑转储
从一个或几个指定的目录开始，递归地转储其自给定基准日期后有所更改的全部文件和目录
(3)文件系统的一致性
UNIX使用fsck，Windows使用scandisk进行一致性检查。
一致性检查分为块的一致性和文件的一致性检查。
块的一致性检查
在检查块的一致性时，程序构造两张表，每张表中为每个块设立一个计数器，都初始化为0。第一个表中的计数器跟踪该块在文件中的出现次数，第二个表中的计数器跟踪该块在空闲表或空闲位图中的出现次数。如果文件系统一致，则每一块或者再第一个计数器中为1，或者在第二个计数器中为1。
文件的一致性检查
检查目录系统，每个文件对应于一个计数器，程序从根目录开始，递归搜索每个目录，对于目录中的每个文件，将文件计数器加1。由于存在硬链接，一个文件可能出现在多个目录中，而对于符号链接不计数。程序完成后，与存储在文件i节点中的链接数比较是否一致。
(4)文件系统性能
高速缓存
高速缓存指的是一系列的块，它们在逻辑上属于磁盘，但实际上基于性能的考虑被放在内存中。检查全部读请求，如果需要读取的块在高速缓存中命中，则读取；否则从磁盘调入高速缓存。高速缓存的置换算法与页面置换算法相似，比如老化算法。
块提前读
在需要用到块之前，提前将其读入高速缓存，从而提高命中率，对于顺序读取特别有用。
减少磁盘臂运动
把有可能顺序访问的块放在一起，最好在同一柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数。
(5)磁盘碎片整理
3 文件系统实例-UNIX v7
UNIX中根目录的i节点存放在磁盘上的固定位置，剩余的路径搜索依靠文件名和i节点号。通过i节点号来定位i节点是很方便的，因为每个i节点在磁盘上都有固定的位置。