一、文件与文件系统
1.1 文件是什么
- 文件是对磁盘的抽象
- 所谓文件是指一组带标识（标识即为文件名）的、在逻辑上有完整意义的信息项的序列。
- 信息项：构成文件内容的基本单位（单个字节，或多个字节），各信息项之间具有顺序关系
- 文件内容的意义：由文件建立者和使用者解释
1.2 如何设计一个文件系统
这里先看文件管理的需求：
- 从用户角度
文件系统是如何呈现在用户面前：
* 一个文件的组织
- 如何命名
- 如何保护文件
- 可以实施的操作
- 从操作系统角度：怎样组织、管理文件
* 文件的描述、分类
- 文件目录的实现
- 存储空间的管理
- 文件的物理地址
- 磁盘实际运作方式（与设备管理的接口）
- 文件系统的性能
1.3 文件系统
- 操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用
- 文件系统要完成哪些任务
1、统一管理磁盘空间，实施磁盘空间的分配与回收
2、实现文件的按名存取：名字空间–映射–>磁盘空间
3、实现文件信息的共享，并提供文件的保护、保密手段
4、向用户提供一个方便使用、易于维护的接口，并向用户提供有关统计信息
5、提高文件系统的性能
6、提供与IO系统的统一接口
1.4 文件的分类
按文件性质和用途分类（UNIX），一般分为普通文件、目录文件、特殊文件（设备文件）、管道文件、套接字
- 普通文件
即用户自己建立的文件，包含了用户的信息，一般为ASCII或二进制文件 - 目录文件
管理文件系统的系统文件 - 特殊文件
字符设备文件：和输入输出有关，用户模仿串行I/O设备，例如终端、打印机、网卡等。
块设备文件：磁盘
1.5 文件的逻辑结构
- 无结构的流式文件
对文件内信息不再划分单位，它是依次的一串字符流构成的文件。 - 有结构的记录式文件
用户把文件内的信息按逻辑上独立的含义划分信息单位，每个单位称为一个逻辑记录（简称记录）。 
- **说明：**这里是从用户角度看文件，由用户的访问方式确定，这里给出了三种逻辑结构，还可以组织成堆、顺序、索引、索引顺序、散列等结构。第一种是以字节为单位的流式结构，第二种是一种记录式文件结构，最后一种是树形结构。
1.6 典型的文件逻辑结构与文件存取
流式文件：构成文件的基本单位是字符
文件是有逻辑意义、无结构的一串字符的集合
记录式文件：文件由若干记录组成，可以按记录进行读写、查找等操作。每条记录有其内部结构
文件的逻辑结构与文件存取之间的关系
顺序存取（访问）
随机存取：提供读写位置（当前位置）。如UNIX的seek操作。
1.7 文件的存储介质
1.7.1 存储介质与物理块
- 典型的存储介质
磁盘（包括固态盘SSD）、磁带、光盘、U盘、… - 物理块（块
block、簇cluster）
信息存储、传输、分配的独立单位
存储设备划分为大小相等的物理块，统一编号
1.7.2 典型的磁盘结构
普通磁盘构造及工作原理
- 磁道（Track）
- 柱面（Cylinder）
- 扇区（Sector）
- 磁头（Heads）
- 盘片（Platters）
- 每个碟片都有两面，因此也会相对应每碟片有2个磁头。
- A：磁道
- B：扇面
- C：扇区
- D：簇（扇区组）
在硬盘上定位某一数据记录位置—C扇区，使用了三维定位。 
1.7.3 磁盘访问
磁盘工作时盘片在高速旋转，机械手臂驱动磁头沿着径向移动，在磁道上读取所需要的数据。
一次访问磁盘的请求：读写、磁盘地址（设备号、柱面号、磁头号、扇区号），内存地址（源/目）。完成过程由三个动作组成：
- 寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道
- 旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过
- 数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输
1.7.4 磁盘空间管理
位图
用一串二进制位反映磁盘空间中分配使用情况，每个物理块对应一位，分配的物理块为0，否则为1。
申请物理块时，可以在位示图中查找1的位，返回对应的物理块号
归还时，将对应位转置1。
空闲块表
将所有空闲块记录在一个表中，即空闲块表
主要两项内容：起始块号，块数
空闲块链表
把所有空闲块链成一个表
扩展：成组链接法
磁盘地址与块号的转换
成组链接法设计思想
**说明：**左上角的是一个专用块，表示一些有用信息，而右边大括号中的都是空闲块。所有空闲块我们分成了若干组，典型的是100块是一组，最后一个空闲组只有99个空闲块。专用块中有20个空闲块号，分别对应右边的空闲块组。每次要使用文件的时候，就从专用块中挑选空闲块，一般从801开始分配。820中的第一块实际上是记录了后面一块800中空闲块的空闲块号和总的空块的数量，后面的以此类推。最后一个组中的0则表示最后一组的标志。
成组链接法：分配算法
分配一个空闲块
查L单元（空闲块数）
- 当
空闲块数 > 1 , i = L + 空闲块数；
从i单元得到一个空闲块号；
把该块分配给申请者； - 空闲块数减1
- 当
空闲块数 = 1， 取出L + 1单元内容（一组的第一块号或0）；
其值 = 0无空闲块，申请者等待
其值不等于零，把该块内容复制到专用块
该块分配给申请者；
把专用块内容读到内存L 开始的区域。
成组链表法：回收算法
归还一块
查L单元的空闲块数
- 当
空闲块数 < 100空闲块数加一；j := L + 空闲块数
归还块号填入j单元 - 当
空闲块数 = 100， 则把内存中登记的信息写入归还块中；
把归还块号填入L+ 1单元；
将L单元置成1。
