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

虚拟文件系统

• 分层结构
  • 上层：虚拟(逻辑)文件系统
  • 底层：特定文件系统模块
• 目的
  • 对所有的不同文件系统的抽象
• 功能
  • 提供相同的文件和文件系统接口
  • 管理所有的文件和文件系统关联的数据结构
  • 高效的查询例程，遍历文件系认
  • 与特定的文件系统模块的交互

需要包含那些内容：

• 卷控制块
  • 每个文件系统一个
  • 文件系统详细信息
  • 块，块大小，空余块、计数指针等
• 文件控制块
  • 每个文件一个
  • 文件详细信息
  • 许可、拥有者、大小、数据库位置等
• 目录节点
  • 每个目录项一个
  • 将目录项数据结构和树形布局编码成树形数据结构
  • 指向文件控制块，父节点和项目列表

数据块缓存

数据块需要按需读入内存

• 提供read操作
• 预读：预选读取后面的数据块

数据块使用后被缓存

• 假设数据将会被使用
• 写操作可能被缓存和延时写入

两种数据块的缓存方式

• 普通缓冲区缓存

• 页缓存：统一缓存数据块和内存页

  • 分页要求：

    • 当需要一个页的时候才将其载入内存

  • 支持存储

    • 一个页可以被映射到一个本地文件中

打开文件

• 打开文件描述
  • 每个被打开的文件一个
  • 文件状态信息
  • 目录项，当前文件指针、文件操作设置等
• 打开文件表
  • 一个进程一个
  • 一个系统级的
  • 每个卷控制块也会保存一个列表
  • 所以如果有文件被打开将不能被卸载

锁的保护机制：

• 一些操作系统和文件系统提供该功能
• 调节对文件的访问
• 强制和劝告：
  • 强制：根据锁保持情况和需求拒绝访问
  • 劝告：进程可以查找锁的状态来决定怎么做

文件分配

• 大多数文件都很小
  • 需要对小文件提供强力的支持
  • 块空间不能太大
• 一些文件非常大
  • 必须支持大文件(64-bit文件偏移)
  • 大文件访问需要相当高效

如何为一个文件分配数据块？

• 分配方式
  • 连续分配
    • 文件头指定起始块和长度
    • 位置/分配策略
      • 最先匹配，最佳匹配
    • 优势：文件读取表现好； 高效的顺序和随机访问
    • 劣势：碎片！； 文件增加问题：预分配？按需分配？
  • 链式分配
    • 文件以数据块链表方式存储
    • 文件头包含了到第一块和最后一块的指针
    • 优点：创建、增大、缩小很容易；没有碎片
    • 缺点：不可能进行真正的随机访问；可靠性不强：破坏一个链然后…
  • 索引分配
    • 为每个文件创建一个名为索引数据块的非数据数据块
    • 文件头包含了索引数据块
    • 优点：创建增大缩小很容易；没有碎片；支持直接访问
    • 缺点：当文件很小时，存储索引的开销，如何处理大文件？链式索引快，多级索引块
• 指标
  • 高效：如存储利用率
  • 表现：如访问速度

空闲空间管理

跟踪在存储中所有未分配的数据块

空闲空间列表存储在哪里？空闲空间列表的最佳数据结构是什么样的？

• 用位图代表空闲数据块列表：
  • 使用简单但是可能会是一个big vector
  • 需要保护
    • 执行空闲列表的指针
    • 位图
      • 必须保存在磁盘上
      • 在内存和磁盘拷贝可能有所不同
      • 不允许block在内存中的状态为bit而在磁盘中bit
    • 解决
      • 在磁盘上设置bit[i]为1
      • 分配block[j]
      • 在内存中设置bit[i] = 1
• 链式列表
• 分组列表

RAID多磁盘管理

• 通常磁盘通过分区来最大限度减小寻道时间
  • 一个分区是一个柱面的集合
  • 每个分区都是逻辑上独立的磁盘
• 分区：硬件磁盘的一种适合操作系统指定格式的划分
• 卷：一个拥有一个文件系统实例的可访问的存储空间
• 使用多个并行磁盘来增加
  • 吞吐量
  • 可靠性和可用性
• RAID - 冗余磁盘阵列
  • 各种磁盘管理技术
  • RAID levels:不同RAID分类
• 实现
  • 在操作系统内核：存储、卷管理
  • RAID硬件控制器

RAID0

• 数据块分成多个子块，存储在独立的磁盘中
  • 和内存交叉相似
• 通过更大的有效块大小来看提供更大的磁盘带宽

RAID1

• 可靠性城北增长
• 读取性线性增加
  • 向两个磁盘写入，从任何一个读取

RAID3

• 存储Bit-string 作奇偶校验

RAID4

• 数据块级磁带配有专用奇偶校验磁盘
  • 允许从任意一个故障磁盘中恢复

RAID5

• 每个条带块有一个奇偶校验块
  • 允许一个磁盘出错

RAID6

• 两个冗余块
  • 有一种特殊的编码方式
  • 允许两块磁盘错误

组合方式

• RAID01
• RAID10

其他

磁盘调度

• 读取或者写入时，磁头必须被定为在期望的磁道，并从所期望的扇区开始
• 寻道时间：定为到期望磁道所花费的时间
• 旋转延迟：从扇区的开始处到达目的处花费的时间
• 平均班旋转延时时间：磁盘旋转一周时间的一半

调度手段：

• 先进先出：

  • 按顺序处理请求
  • 公平对待所有进程
  • 在很多进程的情况下，接近随机调度性能

• 最短服务优先：

  • 选择从磁臂当前位置需要移动最少的I/O请求
  • 总选择最低端的寻道时间

• SCAN方式

  • 磁臂在一个方向上个移动，满足所有未完成的请求，知道磁臂到达该方向上的最后的磁道
  • 调换方向
  • 有时被称为 elevator algorithm

• C-SCAN

  • 限制了仅在一个方向上的扫描
  • 当最后一个磁道也被访问过之后，磁臂返回到磁盘的另外一端再进行扫描

• C-LOOK

  • C-SCAN的改进版本
  • 磁臂先到达该方向上最后一个请求处，然后立即反转

• N-step-SCAN

  • 在SSTF/SCAN和CSCAN几种调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动的情况，例如进程反复请求对某一个磁道的IO操作。我们把这一现象称为磁臂粘着
  • N-step-SCAN算法是将磁盘请求队列分为若干个长度为N的字队列，磁盘调度将按照FCFS算法依次处理这些子队列。而每处理一个队列时优势按照SCAN算法，对每一个队列处理完成之后再处理其他队列
  • 当正在处理某个子队列时，如果出现新的磁盘I/O请求，便将新的请求进程放入其他队列，这样就可以避免出现粘着现象

• FSCAN

  • FSCAN算法实质上是N步SCAN算法的简化，即FSCAN只将磁盘请求队列分成两个子队列
  • 一个是由于当前所有请求磁盘I/O的进程形成的队列，由磁盘调度按照SCAN算法仅此呢个处理。在处理某个队列期间，将新出现的所有请求磁盘I/O的进程，放入另一个等待处理的请求队列。这样，所有的新请求都将被推迟到下一次扫描时处理