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第九讲 文件系统

第一节 文件和文件系统

向勇 陈渝 李国良 任炬

2024年春季

课程幻灯片列表

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提纲

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什么是文件系统？

• 文件系统是存储设备上组织文件的方法和数据结构。

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什么是文件系统？

• 文件系统是存储设备上组织文件的方法和数据结构。
• 文件系统是操作系统中负责文件命名、存储和检索的子系统。

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什么是文件？

• 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

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一切都是文件

• 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

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文件视图

• 用户的文件视图
  • 持久的数据结构
  • 系统调用接口：字节序列的集合(UNIX)
• 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

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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、JSON等格式化文件
  • 复杂结构：Word文件、ELF可执行文件

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提纲

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文件的基本操作

• 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

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文件的基本操作单位

• 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

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文件的访问模式

• 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

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文件访问控制

• 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>

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文件访问控制

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

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多进程如何访问共享文件？

• 文件是一类共享资源
  • 需要互斥访问
  • 采用类似的同步互斥技术(后续)
    • 读写锁

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提纲

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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);

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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

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打开文件表

• 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

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打开文件表

• 内核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

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打开文件表

• 内核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

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打开文件表

• 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

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提纲

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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

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虚拟文件系统（VFS）

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文件系统功能

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

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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)

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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

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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

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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>

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提纲

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目录操作

应用程序通过系统调用对目录进行操作

• 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

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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

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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

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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)
  • 新建文件，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

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文件别名

• 硬链接是对一个文件的引用，而软链接则是一个指向文件路径的指针。

• 硬链接不能跨文件系统，也不能链接到目录。

  • 避免目录循环，所以不能链接到目录。

• 软链接可以跨文件系统，也可以链接到目录。

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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

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文件系统挂载

• 文件系统需要先挂载才能被访问

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小结

1. 文件

• 文件的概念
• 文件操作
• 文件描述符

2. 文件系统和文件组织

• 文件系统的功能
• 目录