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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
2025年秋季
问题
- 作为存储介质，内存与硬盘有什么区别？
- 你了解的文件是什么样的？
- 持续保存数据如何组织？
提纲
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。
什么是文件系统？
- 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。
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
一切都是文件
- UNIX类操作系统的设计哲学：一切皆文件
- 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
文件视图
- 用户的文件视图
- 持久存储的数据结构
- 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
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
提纲
- 文件
- 文件系统和文件组织
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
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
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
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>
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
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
- 读写锁
提纲
- 文件
- 文件系统和文件组织
1.1 文件的概念 1.2 文件操作
1.3 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
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
打开文件表
- 内核在打开文件表中维护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
- 文件指针
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
- 文件打开计数
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
- 每个进程的文件访问模式信息
- 文件的磁盘位置
提纲
- 文件
2. 文件系统和文件组织
2.1 文件系统的功能
2.2 目录
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
虚拟文件系统（VFS）
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
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>
提纲
- 文件
- 文件系统和文件组织
2.1 文件系统的功能
2.2 目录
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
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
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
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。
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
文件系统挂载
- 文件系统需要先挂载才能被访问
小结
- 文件
- 文件的概念
- 文件操作
- 文件描述符
- 文件系统和文件组织
- 文件系统的功能
- 目录