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第九讲 文件系统
第二节 文件系统的设计与实现
向勇 陈渝 李国良 任炬
2025年秋季
问题
- 如何高效地管理和访问磁盘上存储的文件？
- 内存管理方法可以借用来管理文件吗？
提纲
1. 概述
- 文件系统的基本数据结构
- 文件缓存
- 文件分配
- 文件访问过程示例
文件系统在内核中的位置
文件系统的分层结构
文件系统在计算机系统中的分层结构
文件系统的用户视图与内核视图
文件系统的用户视图与内核视图
虚拟文件系统
VFS, Virtual File System
- 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：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
- 例如目录项
虚拟文件系统的功能
- 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
虚拟文件系统统一不同文件系统的访问接口
提纲
- 概述
2. 文件系统的基本数据结构
- 文件缓存
- 文件分配
- 文件访问过程示例
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）
文件系统的组织视图
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卷控制块
- 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、最近一次检验磁盘(fsck) 时间
文件控制块inode
每个文件有一个文件控制块inode (inode/vnode)
- 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
- 文件名存放在目录的datablock
文件控制块inode
每个文件有一个文件控制块inode (inode/vnode)
- 文件的字节数
- 文件拥有者的 User ID
- 文件的 Group ID
- 链接数：有多少文件名指向这个 inode
- 文件数据 block 的位置（直接、间接）
bitmap块
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
- 用于空间分配
数据块dnode( data node)
- 目录和文件的数据块
- 放置目录和文件内容
- 格式化时确定data block的固定大小
- 每个block都有编号，以方便inode记录
- inode一般为128B
- data block一般为4KB
目录的数据块
目录项 (dir_entry)
- 一个目录（文件夹）包含多个目录项
- 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
- OS会缓存一个读过目录项来提升效率
提纲
- 概述
- 文件系统的基本数据结构
3. 文件缓存
- 文件分配
- 文件访问过程示例
多种磁盘缓存位置
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
虚拟页式存储与页缓存
- 页缓存: 统一缓存数据块和内存页
- 在虚拟地址空间中虚拟页面可映射到本地外存文件中
虚拟页式存储与页缓存
- 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
打开文件表
- 每个进程1个进程打开文件表
- 一个系统打开文件表
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
提纲
- 概述
- 文件系统的基本数据结构
- 文件缓存
4. 文件分配
- 文件访问过程示例
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
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
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
链式分配
- 显式连接
- 块链接信息显式放到文件分配表(FAT)
- 隐式连接
- 每个块保存了指向下一块的指针
- 每个块保存了指向下一块的指针
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?
索引分配
- 链式索引块 (IB+IB+…)
- 多级索引块(IB*IB *…)
索引分配
多级索引分配
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
文件分配方式比较
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?
- 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
- 找到“0”之前要扫描n/r
空闲空间管理
- 链表
- 索引
提纲
- 概述
- 文件系统的基本数据结构
- 文件缓存
- 文件分配
5. 文件访问过程示例
文件系统组织示例
文件读操作过程
文件写操作过程
文件系统分区
- 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。
小结
- 概述
- 文件系统的基本数据结构
- 文件缓存
- 文件分配
- 文件访问过程示例