オペレーティングシステムの原則第 11 章ファイルシステムの実装

学部生向けのオペレーティングシステムの原則学習記録
学習記録ファミリーバケット

第 11 章ファイルシステムの実装

11.1 ファイルシステム

1. ファイルシステムの概要

ストレージデバイス上のファイルを整理するための方法とデータ構造

オペレーティングシステムでファイル情報の管理と保存を担当するモジュール

ほとんどのファイルシステムはオペレーティングシステムに存在しますが、一部のマイクロカーネルにはファイルシステムがありません。

システム角度:

ストレージデバイスのスペースを整理して割り当てる
ファイルの取得、読み書きなどを担当します。
目標：アクセス速度とストレージスペース効率

ユーザーの視点:

名前によるアクセスのためのファイルアクセスメカニズムを提供します。
ファイル編成
目標: 便利なファイルアクセスメカニズム

2. ファイルシステムの階層

基本ファイルシステム

物理ブロックの読み書き

制御コマンドをデバイスドライバーに送信する

ファイル編成モジュール

ファイル、論理ブロック、物理ブロックの管理

ファイルの論理アドレスを物理アドレスに変換し、空き領域を管理し、ファイルに物理ブロックを割り当てます

論理ファイルシステム

ファイルシステムのメタデータの管理: ファイルデータを除くすべての構造データ

名前によるファイルアクセス、ファイルディレクトリ管理、FCB 管理、ストレージ保護

3. ファイルシステムの実装

物理ブロック: 1 つまたは複数のセクターで構成され、基本的なファイルの読み取りおよび書き込み単位

パーティション: パーティション

ボリューム（論理ディスク）：物理パーティション上に構築されたボリューム、ディスク上の論理パーティション

2 つのファイルシステム

ディスクファイルシステム
メモリーファイルシステム

4. ディスクファイルシステム

5. メモリーファイルシステム

パーティションテーブル: すべてのインストールパーティション情報

ディレクトリバッファ構造: 最近アクセスしたディレクトリ情報を保存する

システムオープンファイルテーブル、プロセスオープンファイルテーブル

目的: バッファリングテクノロジによってファイルシステムのパフォーマンスを向上させる

6. 仮想ファイルシステム

目的: 複数のファイルシステムをサポートする

複数のファイルシステムを 1 つのディレクトリ構造に統合

ユーザーのファイルシステム間の差異をマスクする

仮想ファイルシステム VFS

ファイルシステムインターフェイス: アプリケーションがファイルにアクセスするための統一されたインターフェイス

VFS インターフェイス: さまざまなファイルシステムの VFS インターフェイスを定義します。

7. ネットワークファイルシステム

NFS: ストレージ容量を節約し、共有を実現

リモートファイルシステムへのアクセス

8. 一般的に使用されるファイルシステム

Windows：FAT NTFS ReFS

Linux：Ext(Ext2 3 4 )

MacOS：HFS

11.2 ストレージスペースの割り当て方法

物理ブロック

ストレージデバイスの読み取りと書き込みの基本単位

ストレージデバイスの割り当ての基本単位

メモリのページサイズに対応

論理ブロック: ファイル空間内のブロック

サイズが物理ブロックと一致している
論理ブロックが物理ブロックに格納されている

連続配分

各ファイルは、ディスク上の連続する一連の物理ブロックを占有します

FCB のみが提供: 開始ブロック番号と長さ

欠点:

スペースの無駄（小さなスペースを割り当てることができない）
ファイルが動的に拡張できない（ファイル A）
ファイルの挿入と削除を助長しない（データを移動する必要がある）

リンク割り当て

個別の物理ブロックの割り当て

明示的割り当て、暗黙的割り当て

暗黙のリンク: 次のブロックのポインタアドレスは、物理ブロックで指定されます

利点：割り当てを拡張でき、ファイルの挿入と削除が簡単

短所: ランダムアクセスを実現できない、ファイルへのアクセスが遅い

リンクを表示: ポインタを取り出してまとめて保存します

検索速度が大幅に向上

FAT テーブル、大容量ディスクには不向きファイルアロケーションテーブル、1 つのパーティションに 2 つの FAT テーブル

リンクテーブルサイズ: 16 ビットエントリ、128 KB、32 ビットエントリ、16 GB

インデックスの割り当て

分散型 FAT、各ファイルには FAT テーブル、つまりインデックステーブルが割り当てられます

インデックスブロック: ファイルの各物理ブロックのブロック番号を指す物理ブロックを格納します。

アドレスマッピング:

$[外部リンクの画像転送に失敗しました。ソースサイトには盗難防止リンクメカニズムがある可能性があります。画像を保存して直接アップロードすることをお勧めします (img-9PUqUGJX-1641540972514) (E:\Documents and PPT\Junior Course Study\Operating System\Pictures\Tenth Chapter One\Index Table Address Mapping.png)]$

マルチレベル索引

4MB を超えるファイルの場合、マルチレベルインデックスメソッドが必要です

共同戦略混合戦略

Unix の iNode

レベル 3 インデックスは 48KB + 4MB + 4GB + 4 TB をサポートします。レベル 3 インデックスを使用したいので、以前の直接インデックス、レベル 1 インデックス、およびレベル 2 インデックスをすべて使い切った場合にのみ、レベル 3 インデックスを使用します。

$[外部リンクの画像転送に失敗しました。ソースサイトにリーチング防止メカニズムがある可能性があります。画像を保存して直接アップロードすることをお勧めします (img-ve9W3Khr-1641540972516) (E:\Documents and PPT\Junior Course Study\Operating System \Pictures\Tenth One chapter\mixed indexing method.png)]$

11.3 空き容量の管理

フリーリスト

フリーリストを配列的に直接管理

フリーリスト

ディスク上の空きブロックをすべてリンクする

ビットマップ

バイナリビットを使用してブロックの使用状況を示す

1: ディスクブロックは空いています

0: ディスクブロックが割り当てられました

行と列の計算、ブロック数の計算を学ぶ

ビットマップには追加のスペースが必要です

ブロックサイズ = 2^12 バイト

ディスクサイズ = 2^30 バイト

n = 2^30 / 2^12 = 2^18 ビット

ビットマップは物理ブロックに格納され、小容量のディスクスペース管理

グループリンク

フリーリストとフリーリンクリストの結合

例: UNIX システム

フリーブロックをいくつかのグループに分け、100 ブロックごとにグループ化します。

最初の空きブロックの各セットには次が含まれます。

空きブロックの総数
次の空きブロックセットの最初のブロックのアドレス
このグループ内の他の空きブロックのブロック番号のリスト

MOOCユニットワーク

1. ファイルには 20 個のディスクブロック (ブロック番号: 0 ～ 19) があり、ファイル制御ブロックがメモリ内にあると仮定します (ファイルがインデックス割り当てを使用する場合、インデックステーブルはメモリ内にありません)。以下の場合、連続割当て、リンク割当て、単一レベルインデックス割当ての3つの割当方法で、ディスクI/Oが何回必要になるか計算してください。(ディスクブロックを読み書きするたびに、ディスク I/O 操作が必要です。また、連続割り当てモードでは、ファイルの先頭に空きディスクブロックがなく、空きディスクブロックがあると仮定します。 1) ファイルの先頭に
2) ファイルの 15 番目のブロックの前にディスクブロックを追加して
内容を書き込む;
3) ファイルの末尾にあるディスクブロックを削除する;
4)ディスクブロックを追加し、ファイルの最後にコンテンツを書き込みます。

(1) 連続配置：0回、FCBの開始ブロック番号と長さを直接変更

リンク割り当て暗黙的: 1 回、最初に 2 番目のブロックのブロック番号を読み取り、次に FCB 開始ブロック番号を変更します

単一レベルインデックス: 2 回、インデックステーブルに読み取り、インデックスブロック内のインデックスアイテムを変更してから、ディスクブロックに書き込みます。

(2) 連続割り付け: ブロック番号 14 ～ 19 を読み取り、ブロック番号 15 ～ 20 を書き込み、新しいブロックを書き込む、13 回

リンクの割り当て: 暗黙的: 最初の 14 ブロックを読み取って 15 番目のブロックへのポインターを 14 回見つけ、新しいブロックの内容と古い 15 番目のブロックのアドレスを書き込み、新しいブロックのアドレスを 14 番目のブロックに書き込みます。合計16回

単一レベルインデックス: 3 回、インデックスブロックのコンテンツを読み取り、インデックスアイテムを変更してディスクブロックに書き込み、新しいブロックのコンテンツを書き込みます。

(3) 連続割り当て: 0 回、FCB テーブルの長さを直接変更する

リンク割り当て: 暗黙的: 20 回、最初の 19 回は 20 番目のブロックのアドレスを読み取り、次にアドレスを -1 に変更して、19 番目のブロックが終了ブロックであることを示します。

単一レベルインデックス: 2 回、インデックステーブルを読み取り、インデックスブロック内のインデックスアイテムの内容を変更します。

(4) 連続割り当て: 1回、内容を書き込み、FCBのファイル長を変更

リンク割り当て: 暗黙的: 22 回、最初の 20 回は 20 番目のブロックの内容を検索し、次に新しいブロックの内容を書き込み、最後に 20 番目のブロックのポインタを変更して新しいブロックのアドレスを指すようにする

2.ディレクトリファイルはリンク方式を採用し、各ディスクブロックには10個の下位ファイルの記述が格納され、最大40個の下位ファイルを格納できます.下位ファイルがディレクトリファイルの場合、上位ディレクトリはそれ以外の場合は、通常のファイルを指すファイル制御ブロック。通常のファイルは 2 レベルのインデックスの形式を採用し、ファイル制御ブロックには 12 個のディスクブロックアドレスが与えられます.最初の 10 個のディスクブロックアドレスは最初の 10 ページの物理アドレスを指し、11 番目のディスクブロックアドレスは256 個のディスクブロックアドレス、つまりファイルの 10 ページ目から 265 ページ目までのアドレスが指定されている場合、12 番目のディスクブロックアドレスはセカンダリインデックステーブルを指し、 256 のプライマリインデックステーブルのアドレスは、セカンダリインデックステーブルに示されます。すみません：

た

‌1) ファイルシステム内の通常のファイルは最大で何ページまで持つことができますか?

最大 = 10 + 256 + 256*256 = 65802 ページ

‌2) ファイル /A/D/K/Q の特定のページを読みたい場合、最低何回ディスクを起動する必要がありますか? ディスクを最大で何回起動しますか? (ディスクブロックが読み込まれるたびに、ディスク操作を開始する必要があります)

た

	少しでも	多くの
メモリ/->A	0	0
A->D	1	4
D->K	1	4
K->Q	1	4
Q->FCB	1	1
FCB→あるページ	1	3
合計	5	16

ここに画像の説明を挿入

3. ディスク上のファイルシステムの論理ブロックと物理ブロックのサイズが両方とも 512B であるとします。各ファイルの FCB が既にメモリ内にあると仮定すると、3 つの割り当て方法 (連続割り当て、明示的リンク割り当て、および単一レベルインデックス割り当て) について、次のように尋ねてください。

1) 論理アドレスから物理アドレスへのマッピングは、システムにどのように実装されていますか?

2) 単一レベルのインデックス割り当てにおける論理アドレスから物理アドレスへのマッピングプロセスを示す例を挙げてください。

論理アドレスをＬＡ、論理ブロックと物理ブロック５１２ＢをＳ、論理アドレスの相対開始アドレスをＧとする。

(1) 連続割り付け: LA/S = Q...RQ は論理ブロック番号、R はブロック内のオフセット

B = Q + FCBに記録されている開始ブロック番号 D = R

住所（B、D）

表示リンク: LA/S = Q...RQ は論理ブロック番号、R はブロック内のオフセット

B = Q と G はリンクされたリストの物理ブロック番号を取得します D = R

住所（B、D）

シングルレベルインデックス: LA/S = Q...RQ は論理ブロック番号、R はブロック内のオフセット

B = インデックステーブルの項目 Q に対応する物理ブロック番号 D = R

住所（B、D）

(2) たとえば、論理アドレスが 1028 であるとすると、ファイルのインデックスブロックの内容は次のようにインデックス化されます。 6 1 13 -1 -1 -1

すると、1028 /512 = 2 … 4

ルックアップインデックステーブルは 13 番で、物理アドレスは PA = (13, 4) です。

4. ファイルシステムが一般的にどのような内容で構成されているかを説明するために、特定のファイルシステムの例を挙げてください。

ファイルシステムは、通常、ファイル分類、ファイルディレクトリ構造、ファイル論理構造、ファイル物理構造、ストレージ管理、システムコール、およびディスク構造で構成されます。

次に例を示します。 UNIX ファイルシステムには、通常のファイル、ディレクトリファイル、およびデバイスファイルの 3 種類のファイルがあります。

ファイルの論理構造: 非構造化ストリーミングファイル、

ファイルの物理構造: 複数のインデックス構造、

ファイルディレクトリ構造: グラフィカルディレクトリ、ハードリンクを使用してファイル共有を実現、インデックスノードを使用してファイルアクセス効率を向上、

ファイルストレージ管理: 空き容量管理: グループリンク;

ディスク構造: 物理構造、プラッター、ヘッド、スピンドル

メモリ構造: 単一プロセスオープンファイルテーブル、システムオープンファイルテーブル (読み書きフラグ、読み書きポインタを共有するプロセス数、アクティブノード番号、読み書きポインタなどを含む)

ファイルシステムコール: ファイルの作成、ファイルの削除、ファイルの読み取り、ファイルのオープン、ファイルのクローズ、ファイルポインターの検索、ファイルのリンク、ファイルのアクセス許可の設定、パイプラインファイルの作成、ファイルのコピーなどの機能を実行して、ファイル操作とファイル保護を実現します。