文件系统的设计与实现 -- 概述

文件系统在内核中的位置

文件系统的设计与实现 -- 概述

文件系统的分层结构

文件系统的设计与实现 -- 概述

文件系统在系统中的分层结构

文件系统的设计与实现 -- 概述

文件系统用户空间与内核空间

文件系统的设计与实现 -- 概述

• 虚拟文件系统（Virtual File System，VFS），定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口。
• 磁盘的文件系统，它是直接把数据存储在磁盘中，比如 Ext 2/3/4、XFS。
• 内存的文件系统，内存辅助数据结构 - 例如目录项。
  

文件系统的设计与实现 -- 概述

虚拟文件系统 (VFS)

• 目的：对所有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
  • 管理所有文件和文件系统关联的数据结构
  • 高效查询例程, 遍历文件系统
  • 与特定文件系统模块的交互

文件系统的设计与实现 -- 概述

虚拟文件系统 (VFS)

文件系统的设计与实现 -- 概述

文件系统的存储视图

• 文件卷控制块 (superblock)
• 文件控制块( inode/vnode)
• 目录项 (dir_entry)
• 数据块（data block）
  

文件系统的设计与实现 -- 概述

文件系统基本数据结构

文件系统的设计与实现 -- 文件系统基本数据结构

• 文件卷控制块 (superblock)
  • 每个文件系统一个
  • 文件系统详细信息
  • 块大小、空余块数量等
  • block 与inode 的总量，未使用与已使用的数量
  • filesystem的挂载时间、最近一次写入时间、最近一次检验磁碟(fsck) 时间
    

文件系统的设计与实现 -- 文件系统基本数据结构

• 文件控制块inode( inode/vnode):每个文件一个
  • 大小、数据块位置（指向一个或多个datablock）
  • 访问模式(read/write/excute)
  • 拥有者与群组(owner/group)
  • 时间信息：建立或状态改变的时间、最近读取时间/修改的时间
  • 文件名在目录的datablock中

文件系统的设计与实现 -- 概述

数据块dnode( data node) - 目录和文件的数据块

• 放置目录和文件内容
• 在格式化时data block的大小就固定了，且每个block都有编号，以方便inode记录
• inode一般为128B
• data block一般为4KB

文件系统的设计与实现 -- 概述

bitmap块( bitmap inode/dnode)

• inode使用或者未使用标志位
• dnode使用或者未使用标志位

文件系统的设计与实现 -- 概述

数据块( data node) - 目录的数据块

文件系统的设计与实现 -- 概述

• 目录项 (dir_entry) - 一般会被缓存
  • 每个目录项一个(目录和文件)
  • 将目录项数据结构及树型布局编码成树型数据结构
  • 指向文件控制块、父目录、子目录等
    

文件系统的设计与实现 -- 缓存

多种磁盘缓存位置

文件系统的设计与实现 -- 缓存

• 数据块缓存
  • 数据块按需读入内存
    • 提供read()操作
    • 预读: 预先读取后面的数据块
  • 数据块使用后被缓存
    • 假设数据将会再次用到
    • 写操作可能被缓存和延迟写入

页缓存: 统一缓存数据块和内存页

文件系统的设计与实现 -- 缓存

虚拟页式存储 -- 页缓存

• 在虚拟地址空间中虚拟页面可映射到本地外存文件中

文件系统的设计与实现 -- 缓存

虚拟页式存储 -- 页缓存

• 在虚拟地址空间中虚拟页面可映射到本地外存文件中
• 文件数据块的页缓存
  • 在虚拟内存中文件数据块被映射成页
  • 文件的读/写操作被转换成对内存的访问
  • 可能导致缺页和/或设置为脏页
  • 问题: 页置换算法需要协调虚拟存储和页缓存间的页面数

文件系统的设计与实现 -- 文件描述符

文件描述符

• 每个被打开的文件都有一个文件描述符
• 作为index，指向对应文件状态信息
  

文件系统的设计与实现 -- 文件描述符

打开文件表

• 每个进程一个进程打开文件表
• 一个系统级的打开文件表
  

文件系统的设计与实现 -- 文件锁

一些文件系统提供文件锁，用于协调多进程的文件访问

• 强制 – 根据锁保持情况和访问需求确定是否拒绝访问
• 劝告 – 进程可以查找锁的状态来决定怎么做

文件系统的设计与实现

文件大小

• 大多数文件都很小
  • 需要支持小文件
  • 数据块空间不能太大
• 一些文件非常大
  • 能支持大文件
  • 可高效读写
    

文件系统的设计与实现

文件分配：分配文件数据块

• 分配方式
  • 连续分配
  • 链式分配
  • 索引分配
• 评价指标
  • 存储效率：外部碎片等
  • 读写性能：访问速度

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（1）连续分配: 文件头指定起始块和长度

• 分配策略: 最先匹配, 最佳匹配, ...
• 优点: 高效的顺序和随机读访问
• 缺点: 频繁分配会带来碎片；增加文件内容开销大

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（2）链式分配: 数据块以链表方式存储

• 优点: 创建、增大、缩小很容易；几乎没有碎片
• 缺点：
  • 随机访问效率低；可靠性差；
  • 破坏一个链，后面的数据块就丢了

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（2）链式分配:

• 显式连接
• 隐式连接
  

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（3）索引分配:

• 文件头包含了索引数据块指针
• 索引数据块中的索引是文件数据块的指针
  
• 优点：创建、增大、缩小很容易；几乎没有碎片；支持直接访问
• 缺点：当文件很小时，存储索引的开销相对大

如何处理大文件?

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（3）索引分配

• 链式索引块 (IB+IB+…)
  
• 多级索引块(IB*IB *…)
  

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（3）索引分配

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（3）多级索引分配

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

（3）多级索引分配

• 文件头包含13个指针
  • 10 个指针指向数据块
  • 第11个指针指向索引块
  • 第12个指针指向二级索引块
  • 第13个指针指向三级索引块

大文件在访问数据块时需要大量查询

文件系统的设计与实现 -- 文件分配

文件系统的设计与实现 -- 空闲空间管理

• 跟踪记录文件卷中未分配的数据块: 数据结构?
• （1）位图
  • 用位图代表空闲数据块列表
    • 11111111001110101011101111...
    • $D_i = 0$ 表明数据块$i$是空闲, 否则，表示已分配
    • 160GB磁盘 --> 40M数据块 --> 5MB位图
    • 假定空闲空间在磁盘中均匀分布，
      • 找到“0”之前要扫描n/r
        • n = 磁盘上数据块的总数 ； r = 空闲块的数目

文件系统的设计与实现 -- 空闲空间管理

• （2）链表
  
• （3）索引
  

文件系统的设计与实现 - 总结

文件系统的设计与实现 - 总结

文件系统的设计与实现 - 总结

文件系统的设计与实现 - 分区

• 多数磁盘划分为一个或多个分区，每个分区有一个独立的文件系统。