第九讲 文件系统

第一节 文件系统概述



向勇 陈渝 李国良



2022年春季

文件系统的概念

  • 文件与文件系统
  • 文件描述符
  • 目录
  • 文件别名
  • 文件系统种类

文件系统的概念

  • 虚拟文件系统
  • 文件缓存和打开文件
  • 文件分配
  • 空闲空间管理

文件与文件系统

文件

  • 文件是具有符号名，由字节序列构成的数据项集合

    • 文件是文件系统的基本数据单位
    • 文件名是文件的标识符号

  • 文件头：文件系统元数据中的文件信息

    • 文件属性：名称、类型、位置、创建时间、…
    • 文件存储位置和顺序

文件与文件系统

文件

  • 在UNIX类操作系统的一个设计哲学：一切都是文件
  • 普通文件，目录文件
  • 字符设备文件（如键盘，鼠标...）
  • 块设备文件（如硬盘，光驱...）
  • 网络文件（socket ...）等等

所有一切均抽象成文件，提供了统一的接口，方便应用程序调用

文件与文件系统

文件 -- 文件的用户视图

  • 持久的数据结构
  • 系统调用接口：字节序列的集合(UNIX)

文件 -- 操作系统的文件视图

  • 数据块的集合
  • 数据块是逻辑存储单元，而扇区是物理存储单元

文件与文件系统

文件 -- 基本操作

  • 进程读文件
    • 获取文件所在的数据块
    • 返回数据块内对应部分
  • 进程写文件
    • 获取数据块
    • 修改数据块中对应部分
    • 写回数据块

文件与文件系统

文件 -- 基本操作

  • 文件系统中的基本操作单位是数据块
    • 例如, getc()和putc()即使每次只访问1字节的数据，也需要缓存目标数据4096字节
    • 这也是通常所说的写放大、读放大

文件与文件系统

文件 -- 访问模式

  • 顺序访问: 按字节依次读取
    • 把一维数据映射到文件中
  • 随机访问: 从任意位置读写
    • 把一个复杂结构(矩阵)映射到文件中
  • 索引访问: 依据数据特征索引
    • 数据库访问是一种基于索引的访问

文件与文件系统

文件 -- 文件中数据的内部结构

  • 与应用相关
    • 无结构：文本文件
    • 简单结构：CSV、TOML、JSON等格式化文件
    • 复杂结构：Word文件、ELF可执行文件

文件与文件系统

文件 -- 安全访问控制

  • 多用户操作系统中的文件共享是很必要的
  • 访问控制
    • 用户对文件的访问权限
    • 读、写、执行、删除
  • 文件访问控制列表(ACL-Access Control List)
    • <文件实体, 权限>

文件与文件系统

文件 -- 安全访问控制

  • UNIX模式
    • <用户|组|所有人, 读|写|可执行>
    • 用户标识ID
    • 组标识ID

文件与文件系统

文件 -- 共享访问
多进程如何同时访问共享文件？

  • 文件是一个共享资源
    • 需要互斥访问
    • 采用类似的同步互斥技术(后续)
      • 读写锁

文件与文件系统

文件 -- 共享访问
UNIX 文件系统(UFS)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

文件与文件系统

文件 --文件描述符
应用程序如何访问文件？

  • 应用访问文件数据前必须先“打开”文件，获得文件描述符
  • 再进一步通过文件描述符（File Descriptor，fd）读写文件
fd = open(name, flag);
read(fd, …);
close(fd);

文件与文件系统

文件 --文件描述符：当应用程序请求内核打开/新建一个文件时，内核返回一个文件描述符用于对应这个打开/新建的文件

  • 形式上，文件描述符是一个非负整数
  • 实际上，文件描述符是一个索引值，指向内核为每一个进程所维护的该进程打开文件的记录表

文件与文件系统

文件 --文件描述符

  • 内核跟踪进程打开的所有文件
    • 操作系统为每个进程维护一个打开的文件描述符表
    • 一个系统级的打开文件表
    • i-node表指中向具体的文件内容

文件与文件系统

文件 --文件描述符

  • 操作系统在打开文件表中维护的打开文件状态和信息
    • 文件指针
      • 最近一次读写位置
      • 每个进程分别维护自己的打开文件指针

文件与文件系统

文件 --文件描述符

  • 操作系统在打开文件表中维护的打开文件状态和信息
    • 文件打开计数
      • 当前打开文件的次数
      • 最后一个进程关闭文件时，将其从打开文件表中移除

文件与文件系统

文件 --文件描述符

  • 操作系统在打开文件表中维护的打开文件状态和信息
    • 文件的磁盘位置
      • 缓存数据访问信息
    • 访问权限
      • 每个进程的文件访问模式信息

文件与文件系统

文件系统 -- 概述

  • 文件系统是操作系统中管理持久性数据的子系统，提供数据存储和访问功能
    • 组织、检索、读写访问数据
    • 大多数计算机系统都有文件系统

文件与文件系统

文件系统 -- 概述 -- 文件系统类型

  • 磁盘文件系统：FAT, NTFS, ext2/3, ISO9660,等
  • 网络/分布式文件系统：NFS, SMB, AFS, GFS
  • 特殊文件系统：procfs, sysfs

文件与文件系统

文件系统 -- 概述 -- 虚拟文件系统

文件与文件系统

文件系统 --文件系统功能

  • 分配文件磁盘空间
    • 管理文件块（位置和顺序）
    • 管理空闲空间(位置)
    • 分配算法 (策略)

文件与文件系统

文件系统 --文件系统功能

  • 管理文件集合
    • 组织：组织文件的控制结构和数据结构
    • 命名：给文件取名字
    • 定位：通过名字找到文件文件及其内容

文件与文件系统

文件系统 --文件系统功能

  • 数据可靠和安全
    • 安全：多层次保护数据安全
    • 可靠
      • 持久保存文件
      • 避免系统崩溃、数据丢失等

文件与文件系统

文件系统 -- 组织形式
分层文件系统

  • 文件以目录的方式组织起来
  • 目录是一类特殊的文件
  • 目录的内容是文件索引表<文件名, 指向文件的指针>

文件与文件系统

文件系统 -- 目录操作

  • 搜索文件 创建文件
  • 删除文件 列目录
  • 重命名文件 重命名文件
    应用程序通过系统调用对目录进行操作

文件与文件系统

文件系统 -- 目录实现

  • 文件名的线性列表，包涵了指向数据块的指针
    • 编程简单、执行耗时
  • 哈希表 – 哈希数据结构的线性表
    • 减少目录搜索时间
    • 可能有冲突 - 两个文件名的哈希值相同

文件与文件系统

文件系统 -- 遍历目录路径
举例: 解析./fs/inode.rs

  • 读取当前目录文件.的数据内
  • 找到fs项，读取目录文件fs的数据内容
  • 找到inode.rs项，读取一般文件inode.rs的数据内容

文件与文件系统

文件系统 -- 文件别名
多个文件名关联同一个文件

  • 硬链接(hard link): 多个文件项指向一个文件
  • 软链接(soft link, symbolic link): 以存储文件名称的方式来指向其他文件
    inode：管理文件数据的结构

文件与文件系统

  • 文件系统 -- 文件别名 -- 如何避免目录中没有形成循环？
    • 只允许对文件的链接，不允许对子目录的链接
    • 增加链接时，用循环检测算法确定是否合理
    • 限制遍历文件目录的路径数量

文件与文件系统

  • 文件系统 -- 文件系统挂载
    • 文件系统需要先挂载才能被访问