文件系统

概述

文件系统：一种用于持久性存储的系统抽象

• 在存储器上：组织、控制、导航、访问和检索数据
• 大多数计算机包含文件系统

文件：文件系统中一个单元的相关数据在操作系统中的抽象

文件系统功能

• 分配文件磁盘空间

管理文件块

管理空闲空间

分配算法

• 管理文件集合

定位文件及内容

命名：通过名字找到文件的接口

最常见：分层文件系统

文件系统类型

• 提供的便利及特征

保护：分层来保护数据安全

可靠性和持久性：保持文件的持久即使发生崩溃

• 文件和块

文件属性：名称、位置、大小、保护、创建者、创建时间、最近修改时间等

文件头

在存储数据中保存了每个文件的信息

保存文件的属性

跟踪那一块存储块属于逻辑上文件结构的那个偏移

文件描述符

• 文件使用模式

使用程序必须在使用之前打开文件

• 内核跟踪每个进程打开的文件

操作系统为每个进程维护一个打开文件表

一个打开的文件描述符是这个表中的索引

• 需要元数据来管理打开文件

文件指针：指向最近的一次读写位置，每个打开了这个文件的进程都是这个指针

文件打开计数：记录文件打开的次数 - 当最后一个进程关闭文件的时候才允许其从打开文件表中移除

文件磁盘位置：缓存数据访问信息

访问权限：每个程序访问模式信息

• 用户视图：持久的数据结构

• 系统访问接口

字节 的集合

系统不会关系你想存储在磁盘上的任何数据结构

• 操作系统内部视角

块的集合（块是逻辑转换单元，而扇区是物理转换单元）

块大小<>扇区大小：在unix中，块大小是4kb

用户怎么访问文件？在系统层面需要知道用户的访问模式

• 顺序访问：按照字节依次读取

几乎所有的访问都是这种方式

• 随机访问：从中间读写

不常用，但是仍然重要，例如虚拟内存支持文件：内存页存储在文件中

更加快速 - 不希望获取文件中间的内容的时候也必须先获取块内所有的字节

• 基于内筒访问：通过特征

许多系统不提供此种访问方式，相反，数据库是建立在索引内容的磁盘访问上实现的（需要高效的随机访问）

文件内部结构

• 无结构

单词、比特的队列

• 简单记录结构

列

固定长度

可变长度

• 复杂结构

格式化文档

可执行文件

其他

文件共享和访问控制

• 多用户系统中的文件共享是很必要的

• 访问控制

谁能够获得那些文件的哪些访问权限

访问模式：读、写、执行、删除、列举等

• 文件访问控制列表(ACL)

文件实体，权限

• Unix模式

用户|组|所有人， 读|写|可执行

用户ID识别用户，表明每个用户所允许的权限以及保护模式

组ID允许用户组成组，并指定了组访问权限

• 指定多用户/客户如何同时访问共享文件

和过程同步算法相似

因磁盘I/O网络延时而设计简单

• Unix文件系统语义

对打开文件的写入内容立即对其他打开同一文件的其他用户可见

共享文件指针允许多用户同时读取和写入文件

• 会话语义

写入内筒只有当文件关闭时可见

• 锁

一些操作系统和文件系统提供该功能

目录

• 文件以目录方式组织起来

• 目录是一类特殊的文件

每个目录都包含了一张表

• 目录和文件的树形结构

早期的文件系统时扁平的（只有一层目录）

• 层次名称空间

• 典型操作

搜索文件

创建文件

删除文件

枚举目录

重命名文件

在文件系统中遍历一个路径

• 操作系统应该只允许内核模式修改目录

确保映射完整性

应用程序能够读目录

• 文件名的线性列表，包含了指向数据块的指针

编程简单

执行耗时

• Hash表 - hash数据结构的线性表

减少目录搜索时间

碰撞 - 两个文件名的hash值相同

固定大小

一个文件系统需要先挂载才能被访问

一个未挂载的文件系统被挂载在挂载点上

文件别名

• 两个活多个文件管理同一个文件

• 硬链接：多个文件项指向一个文件

• 软连接：以快捷方式指向其他文件

• 通过存储真是文件的逻辑名来实现

• 如果删除了一个有别名的文件会如何

这个别名将成为悬空指针

• Backpointers 方案：

每个文件有一个包含多个backpointers的列表，所以删除所有的backpointers

backpointers使用菊花链管理

• 添加一个间接层：目录项数据结构

连接 - 已经存在文件的另外一个名字

连接处理 - 跟随指针来定位文件

文件系统的种类

• 磁盘文件系统

文件处处在数据存储设备商，如磁盘

FATNTFS ext2/3等

• 数据库文件系统

文件根据其特征是可被寻址的

如：WinFS

• 日志文件系统

记录文件系统的修改/事件

例如：journaling file system

• 网络/分布式文件系统

NFS SMB AFS GFS

分布式文件系统

文件可以通过网络被共享

文件位于远程服务器

客户算远程挂载服务器的文件系统

标准文件系统访问被转换成远程访问

标准的协议：NFS CIFS

分布式文件系统的问题

客户端和客户端上的用户辨别起来很复杂

NFS是不安全的

一致性问题

错误处理模式

• 特殊/虚拟文件系统

文件系统和磁盘调度(下)：https://developer.aliyun.com/article/1459604