标签：文件 复习 文件系统 访问 期末 磁盘 目录 空闲

1. 进程执行I/O大致过程 ：
   用户程序提出I/O请求
   用户进程A阻塞，进程A的PCB块插入阻塞队列，CPU执行其他操作。
   I/O完成后，向CPU发出中断请求，CPU暂停当前进程B的执行，转到处理中断处理程序
   执行完后，CPU返回暂停进程B继续执行。
   进程A，从阻塞态变为就绪态，进程A的PCB插入就绪队列。
2. 用户的输入输出以文件为基本单位，计算机以进程为基本单位进行资源的调度和分配。
3. 卷：包含文件系统的分区。可以是磁盘的一部分，可以是整个磁盘，可以是多磁盘组成的RAID集。

文件系统

文件：抽象数据类型，由OS映射到物理设备(通常非易失)上。用户视角，文件是逻辑外存的最小分配单元，数据只有通过文件才能写到外存。
文件系统提供高效、便捷的磁盘访问，以便允许存储定位，提取数据。

• 文件属性(文件元数据)：名称、标识符、类型、位置、大小、权限、时间日期、用户标识(创建者、所有者)
  • 文件拓展名：指示①文件类型②可用于文件的操作。(e.g. .com .exe .sh文件可运行等等)
• 文件信息保存在目录结构(非易失如磁盘)中，目录结构保存在外存上。
• 文件控制块FCB维护文件属性：即目录项。创建一个文件后，系统分配一个FCB存放在文件目录中。
  有些系统简化为i结点(只有文件名and指向文件的指针)
• 磁盘索引结点：存放在磁盘上，每个文件唯一。<文件主标识符，文件类型，文件存取地址、文件物理地址，文件长度，文件链接计数，文件存取时间>
• 内存索引结点：存放于内存，文件打开时将磁盘索引结点复制到内存索引结点中，同时增加+=<，，，不想看>

1文件操作

1. 创建文件：先遍历所有目录项，确保没有重名的。①找到空间；②目录中创建新文件条目
2. 写文件：按。文件名在目录中查找到FCB，合法性检查。①使用一个系统调用指定文件名称、要写入文件的信息。
   ②根据文件名，在目录中搜索
   ③保留写指针，指向下一次写位置，每次写操作时，写指针更新。
3. 读文件：按文件名在目录中查找到FCB，合法性检查。①使用一个系统调用，指定文件名称、需要文件的下一块在哪(内存位置)。
   ②在目录中搜索到它
   ③保留读指针，指向下一次读取位置，每次读完都更新。
   • so读写可共用简化-->当前文件位置指针
4. 重定位文件、文件定位：更新当前文件位置指针位置。
5. 删除文件：①根据文件名在目录中找到文件 ②释放回收所有空间 ③删除目录条目。
6. 截断文件：删除内容，保留文件属性(除了长度其他都允许不变)。释放文件空间，让文件重置为0；

1.1 文件打开与关闭

• 检索目录-->OS维护一个打开文件列表，文件不再使用时-->OS删除该条目。
• 通常OS有两个表：每个进程表、整个系统表：
  1. 每个进程表跟踪自己打开的所有文件；每个条目指向整个系统的打开文件列表。
  2. 系统表：包含与进程无关的信息(在磁盘上的位置、访问日期、文件大小、访问权限)。不必要文件名，因为FCB块利用name完成对磁盘上的定位后，系统不再使用name，使用文件描述符。
     每个文件关联一个打开计数cnt，记录多少个进程打开了该文件。cnt=0时删除该文件条目。
     文件打开后，不再使用文件名访问文件，使用文件描述符

1.2 文件锁定机制

• 强制锁：一点进程A获取独占锁，只有进程A可以访问文件FILE，其他进程都不行。直到这个锁被释放。Windows采用。
  • 程序员要确认只有在访问文件时才锁定独占文件，不然干扰别的进程进行访问。采取措施防止产生死锁。
• 建议锁：程序员干活。内核只提供加减锁and检测是否加锁的操作，不提供锁的控制与协调工作。就是内核不监督。Unix采用。

1.3 文件保护 权限属性

1. 口令保护(防止用户文件被他人存取、窃取)：FCB上附上对应口令，用户访问时提供口令。(不够安全)
2. 加密保护(防止用户文件被他人存取、窃取)：访问文件时需要密钥。
3. 访问控制(控制用户对文件访问方式)：为每个文件and目录增加一个访问控制列表，规定每个用户名和它可以做的操作。
   • 用户、拥有者在同一用户组：按同组权限访问
   • 不在同组：按照其他用户权限访问。

1.4 访问方法

• 顺序访问：文件信息按顺序进行处理。最常见，最简单。
• 直接访问(相对访问)：文件由固定长度逻辑记录组成，允许程序以任意顺序快速读取、写入记录。
  基于文件的磁盘模型，磁盘允许任何文件块的随机访问。
  适用于大量信息的立即访问。e.g.数据库
• 其他方法：索引文件

1.5 文件逻辑结构

用户视角出发。

1. 无结构文件：流式文件。
2. 有结构文件(记录式)：
   1. 顺序文件：串结构(按存入时间先后)/顺序结构(按关键字)
   2. 索引文件：

1.5 文件物理结构

重复：文件是一种抽象数据类型，

• 文件在物理存储设备上如何分布、如何组织？两种答案
  • 分配方式：磁盘非空闲块的管理
  • 文件存储空间管理：对磁盘空闲块的管理
    所以其实所谓物理结构，回答文件分配问题：连续、链接、索引。3种。

1 连续分配

每个文件在磁盘上有一组连续的块，寻道数和寻道时间最小。支持顺序/直接访问。

• 文件目录项中<文件物理地址>=<第一块地址，文件区域长度>。e.g.从b开始到b+n-1 => <b，n>
• 缺：①不太能够支持动态增加文件(要求连续，但后面的块可能分出去了)。②要注意保持文件有序性，增删添改时涉及到相邻的块就很麻烦了。③反复增删后外部碎片。(反正不可能内部碎片嘛) ④只适用于固定长度文件。
• 优：访问快、实现简单。

2 链接分配

采用离散分配的方式，无须提前直到文件大小，消除磁盘外部碎片，提高利用率。

1. 隐式链接
2. 显式链接

2.1 隐式链接

每个文件对应一个磁盘块的链表。

• 目录项：文件第一块指针+文件最后一块指针。(每个盘块(除最后一个)包含指向下一个盘的指针，对用户透明)
• 缺：只适用于顺序访问，随机访问效率太低，每次都要遍历嘛。
• 解决每次遍历all的方法：几个盘-->一个簇，按簇分配。但增加了内碎片。

2.2 显式链接

把隐式链接中每个块包含的*next指针提取出来，显式保存到FAT 文件分配表中。

• 文件分配表：①记录文件块先后链接关系，②标记空闲磁盘块。
  系统启动时就被读入内存。查找记录在内存中进行。
  整个磁盘只有一张文件分配表。存放<盘块号，下一块块号>
  对最后一块or空闲块可以指定-1、-2、-3这种特殊数字来表示。(e.g.-1表示最后一块，-2表示空闲块)
• 缺：FAT占用较大内存空间

3 索引分配

改进：不需要将整个FAT调入内存

• 索引块：集中存放每个文件所有的盘块号。它自己通常也是一个磁盘块。
  每个文件都有自己的索引块(一个磁盘块地址的数组)。
• 优：支持直接访问；没有外部碎片，
• 缺：多了一个索引块，增加了系统存储空间开销。
  • 索引块不可以太大：有以下的解决机制
    1. 链接方案：索引块本身作为磁盘块可以进行读写，对大文件，将多个索引块连接起来。
    2. 多层索引：一级索引块-->二级索引块
    3. 混合索引：多种方式结合。

目录

目录的类型

1. 单级目录结构：整个文件系统一张目录表，一个文件一个目录项
2. 二级目录结构：主文件目录-->用户文件目录-->该用户文件的FCB信息。
   搜索用户对应的UFD。解决不同用户文件重名问题，提高安全性。
3. 树形目录结构：明显提高速度和性能。更方便对文件分类，层次结构清晰。
   不便于实现文件共享。
4. 无环图目录结构：树形目录+指向一些同一节点的有向边-->有向无环图。
   可以为每个共享结点设置共享计数器(增加共享链-cnt++/删除共享链-cnt--)，当cnt=0时删除结点，否则只是删除共享链。
   ≠文件拷贝；就是原件。
   问题：确保没有环

目录操作

1. 搜索：在文件系统中找到对应的目录项
2. 创建文件：目录中增加目录项
3. 删除文件：目录中删除目录项
4. 创建目录：树形目录结构中，用户可在自己的文件目录下创建子目录
5. 删除目录：①不删除非空目录，需要先删除所有文件，递归删除子目录。 ②可删除非空目录，目录中文件、子目录同时删除。
6. 移动目录
7. 显示目录
8. 修改目录

文件系统结构

• 磁盘的两个优势：
  1. 磁盘可以原地重写
  2. 磁盘可以实现按简单顺序/随机访问文件，移动读写磁头，等待磁盘旋转。
• 文件系统的两个问题
  1. 定义文件系统用户接口，涉及定义文件属性、允许的文件操作、组织文件目录结构。
  2. 创建算法、数据结构，以便映射逻辑文件(虚拟文件)到物理外存设备。

合理的文件系统层次结构

• 设备
  ↕
• I/O控制：包括设备驱动程序、中断处理程序。在内存和磁盘系统之间传输
  • 设备驱动程序：(翻译器)——高速I/O控制器对设备xx位置进行xx工作。即：将输入的命令翻译成底层硬件的特定指令，硬件控制器利用这些指令控制I/O设备与系统交互。
  • 中断处理程序好理解，在进程I/O完毕之后向CPU发出中断请求，CPU处理需要。
    ↕
• 基本文件系统：发送命令给对应设备驱动程序，从而读取、写入磁盘的物理块。管理这部分的缓冲区
  ↕
• 文件组织模块：
  1. 可以将逻辑块地址(从0开始编号)转换成物理块地址。
  2. 跟踪未分配的空闲块
     ↕
• 逻辑文件系统：管理元数据信息。管理系统目录结构。文件保护。
  • 元数据：包括文件系统所有结构，不包括实际数据。
    ↕
• 应用程序

在磁盘中的结构

文件系统存放在磁盘上，磁盘-->分区(每个分区独立的文件系统)

• 主引导记录 MBR：位于磁盘0号扇区，引导计算机。后面是分区表(给出每个分区的起始、结束地址)
• 引导块：MBR执行引导块中的程序后，该程序负责启动该分区中的OS，(每个分区都从一个引导块开始)
• 超级块：包含文件系统所有关键信息，计算机启动/文件首次使用时，超级块载入内存，典型信息(块数量、块大小、空闲块数量和指针、空闲FCB数量等等)

在内存中的结构

内存中的信息用于管理文件，通过缓存提高性能。
安装时加载，操作期间更新，卸载时丢弃。

• 内存的安装表：包含已安装文件系统分区的有关信息。
• 内存中的目录结构的缓存，包含最近访问目录的信息。
• 整个系统的打开文件列表
• 每个进程的打开文件列表

文件内部结构

定位文件的偏移对OS是复杂的。磁盘通常具有明确定义的块大小(大小相同，由扇区大小决定)。所有磁盘I/O按块(物理记录)为单位执行，又∵物理记录≠逻辑记录-->多个逻辑记录包装到物理块。
磁盘空间按照块为单位分配。每个文件的最后一块通常被浪费。

外存空闲空间管理

在一个卷中，存放文件数据的空间(文件区)和FCB空间(目录区)是分离的。
卷在提供服务之前，必须由对应的文件程序进行初始化，划分好目录区+文件区，建立空闲空间管理表格+存放卷信息的超级块。

文件存储设备-->分成许多大小相同的物理块，以块为单位交换信息。
**文件存储设备管理的实质：对空闲块的组织和管理(组织、分配、回收等)

1. 空闲表法：连续分配方式
2. 空闲链表法
3. bitmap位图法
4. 成组链接法

1 空闲表法

不适用大型文件系统。
连续分配方式，

• 空闲盘区分配：采用首次适应+最佳适应算法等

2 空闲链表法

不适用大型文件系统。

• 所有空闲盘区拉成一条空闲链：
  • 空闲盘块链：以盘块为单位；用户请求分配时从链首分配、用户删除时回收盘块插入到链尾。
  • 空闲盘区链：(一个盘区可能包含多个盘块，每个盘区*next指针指向下一空闲盘区+本盘区大小信息)；首次适应算法。
    • 回收盘区时，将回收区与相邻空闲盘区合并。

3 bitmap位图法

磁盘上每一个盘块都有一个bit位与之对应。(0闲/1已分配)

4 成组链接法

UNIX采用。

虚拟文件系统 VFS

VFS为用户程序提供文件操作的统一接口，屏蔽不同文件系统的差异和细节。面向对象思想OO。
用户write() --> VFS：sys_write() --> 文件系统写方法 --> 物理介质

每个VFS对象存放在适当的数据结构中，

• 超级块对象：存储已安装文件系统的元信息(文件系统基本属性：文件系统类型、文件系统基本块大小、挂载的设备、操作函数指针)
• 索引结点对象：处理文件需要的所有信息，对文件唯一。(例文件的索引结构)
  • 有脏位
  • 有操作接口(读写、文件同步等)
• 目录项对象：
• 文件对象

分区、安装

害再见
有舍才有得...

文件共享

• 一致性语义：规定系统的多个用户如何访问共享文件。规定了一个用户的数据修改何时为另一用户可见。
  • UNIX：文件作为独占资源 一个文件单个图像
    • 用户A对已打开文件F的写入，其他打开F的用户立即可见改变
    • 一个文件单个图像，允许不同用户交替访问
  • Open AFS：Android 一个文件多个图像
    • 不立即可见
    • 文件的改变只有在关闭后打开它才可见，已打开的文件实例不反映变化。

用于评估支持文件共享的文件系统。
与同步算法直接相关。(但传输速率慢、延迟大 同步算法不适合直接用于文件系统)

1. 多用户：OS支持多用户时，实现共享和保护。
2. 远程文件系统：例如网络WWW。
   1. 客户机/服务器模型
   2. 分布式信息系统
   3. 故障模式：

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