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

2023年秋季

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

w:850

文件系统的分层结构

w:950

文件系统在计算机系统中的分层结构

w:700

文件系统的用户视图与内核视图

w:1000

文件系统的用户视图与内核视图

w:680

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：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。

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

w:750

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

bg 90% bg 90%

文件系统基本数据结构

w:700

文件卷控制块 (`superblock`)

每个文件系统一个文件卷控制块

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

bg right:46% 90%

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，即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

w:850

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

bg right 100%

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

w:1200

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

bg right:45% 90%

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

w:700

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

w:750

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

w:750

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

bg right:54% 90%

连续分配

文件头指定起始块和长度

w:900

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

w:800

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
隐式连接

bg right:70% 100%

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

w:1000

多级索引分配

w:800

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

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文件分配方式比较

w:1150

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