8 文件系统

8.1 概述

• 实现对文件的基本操作（创建、删除、打开、关闭、读、写）

• 按名存储和查找文件，组织成合适的结构

• 具有基本的文件共享和文件保护功能

• 管理与磁盘的信息交互

• 完成文件逻辑结构和物理结构的变换

• 组织文件在磁盘上存放

• 采用好的文件排放顺序和磁盘调度方法以提升系统的性能

• 逻辑文件系统：管理和维护文件系统的所有逻辑结构信息，负责文件保护

• 文件组织模块：将逻辑块地址转化称物理块地址

• 基本文件系统：也称为物理I/O层，读取和写入磁盘的物理块。关注的是这些块在辅存中和内存缓冲区中的位置

• I/O控制：设备驱动程序和中断处理程序，在内存和磁盘之间传送信息

8.2 文件组织和访问

• 堆：按数据到达顺序收集，每条记录由一串数据组成。记录可以有不同的域，每个域应该有自我描述。

• 顺序文件：每条记录有固定的格式，相同的长度，包含相同数量和长度固定的域。关键域按顺序排列。设置一个Log File，把试图增加、删除或者修改的信息记录于其中

• 索引顺序文件：用索引提供了快速接近目标记录的查找能力。增加了溢出文件，用来记录新增、删除和修改的记录

• 索引文件：对于可变长记录文件，建立与表项大小相等的索引表，可以多索引，可以部分索引

• 文件控制块（FCB）：存放控制文件需要的各种信息的数据结构。包括：
• 基本信息：文件名、文件的物理位置、文件的逻辑结构、文件的物理结构等；
• 访问控制信息：文件的存取权限、所有者、授权用户的存取权限、一般用户的存取权限等；
• 使用信息：文件建立时间、上次修改时间等。

• 目录：FCB的有序集合，FCB就是集合中的一个文件目录项。文件目录也被视为文件——目录文件
目录的树状结构
• 每个子目录都在上级目录文件中有一个目录项（FCB）
• 每个子目录都是一个目录文件

• 当文件很多时，文件目录会占用大量的盘块

• 在检索目录的过程中，只用到了文件名，其它描述信息不会被用到，也不需要调入内存

• 有的操作系统中，将除文件名之外的其它描述信息单独形成一个数据结构，称为索引结点，简称i结点（inode），目录文件中每个目录项仅由文件名和指向i结点的指针构成，每个文件在磁盘中有唯一的索引结点，当文件被打开时，要将磁盘索引结点复制到内存的索引结点中，且有编号、状态、访问计数等信息

• 主引导区 MBR：位于磁盘的0号扇区，记录着硬盘本身的相关信息以及硬盘各个分区的大小及位置信息

• 引导块：引导块中的程序负责启动该分区中的操作系统

• 超级块：包含文件系统中的所有关键信息，启动时会被读入内存，是文件系统的第一个块，存放文件系统本身的结构信息描述和文件系统整体信息的数据结构

• 空闲块信息：用位示图或指针链接的形式给出

8.3 文件共享

• 基于索引节点的文件共享（打开文件表）

• 利用符号链接实现的文件共享

8.4 逻辑组块

8.5 辅存管理

• 文件分配：如何为文件分配磁盘块

• 辅存空闲空间管理：空闲块的组织、分配和回收

文件分配

连续文件分配

• 要求每个文件在磁盘上占用一组连续的块

• 顺序读/写时速度快

• 可直接访问

• 文件长度不宜动态增加

• 增删记录不但需要移动其它盘块，还需改变文件长度

• 外碎片

隐式链接

• 离散分配，无外碎片

• 除最后一个盘块外，每个盘块末尾都含有指向文件下一个盘块的指针

• 只适合顺序访问

• 稳定性差

显式链接

• 指将用于链接各物理块的指针显示地存放在一张表中，即文件分配表（FAT，File Allocation Table）

• 整个磁盘仅一张FAT

• FAT还可以标注空闲的磁盘块

• 操作系统启动时会将FAT读入内存

• 从逻辑块号转换为物理块号不需要读磁盘

• FAT会占用较大的磁盘空间

索引分配

• 系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块，索引表放在索引块中，每个文件必须有一个索引块

• 索引块太小：链接方案、多层索引、混合索引

混合索引分配

辅存空闲空间管理

空闲位图（位向量）

空闲链表

8.6 MINIX文件系统

• 引导块：计算机加电启动时，由ROM BIOS程序自动读入MBR，MBR找到引导块并读入引导代码和数据。对于不是引导分区，该盘块空闲不用。

• 超级块：保存分区中文件系统的结构信息，表示出每部分的数量和位置

• i节点位图：标记i节点的使用情况，每bit位代表1个i节点，即1个目录文件或普通文件，可以占用多个盘块
在 MINIX 文件系统中，建立一个空目录时：
• 系统分配 1 个新的 i节点；
• 系统分配 1 个新的数据块 用于存放目录项；
• 目录中虽然“空”，但仍包含 . 与 .. 两个目录项（. 指向本目录自身的 i节点，.. 指向父目录的 i节点）。

• 逻辑块位图：标记磁盘分区中每个数据盘块的使用情况，每bit位代表1个盘块，只标记数据区的盘块

• i节点
• 存放着文件系统中目录文件或普通文件的i节点
• 每个目录文件或普通文件都有1个i节点结构
• 每个i节点结构中存放着对应文件的相关信息
• 第1个i节点为根目录文件的i节点结构

课堂练习

期末真题

2024秋

1. 在目标文件系统上 创建目标文件的 inode（分配 inode、在目录中加入目录项但内容暂空）。

2. 为目标文件 分配数据块（按需，通常一次分配一组或按写入动态分配），并在写入前在内存中准备缓冲区。

3. 循环读源文件的数据块到内核缓冲区，然后将缓冲区内容写入目标文件对应的数据块（包括处理最后一个不满块的尾部）。

4. 在写入过程中更新目标 inode 的元信息（已占块数、文件长度、时间戳等），并维护缓存（一致性、延迟写策略）。

5. 拷贝完成后，将改动同步到磁盘（刷新 inode、写回数据块、更新目录项），释放临时缓冲区。

6. 处理错误（空间不足、IO 错误）并回滚或清理未完成的分配。

• 直接块覆盖块 0–6（共 7 块）；

• 单级索引覆盖接下来的最多 512 块（即块 7–518）；

• 二级索引覆盖更后面的块。

• 若目标块为 直接块（0–6）：只需读该数据块 → 1 次磁盘访问。

• 若目标块为 单级间接指向的数据块（7–474）：需先从磁盘读出该单级索引块（若该索引块尚未缓存），再读数据块 → 最多 2 次磁盘访问。

• 二级索引情形不可能（文件只有 475 KB），故无需考虑三次访问的情况。

2020春