文件系统¶

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文件

文件（file）是操作系统在文件系统中管理的一种“持久化对象抽象”：它由数据内容（字节序列）和元数据（权限、大小、时间戳、位置映射等）组成，并通过open/read/write/close 等统一接口对进程提供访问。

文件系统负责把文件映射到底层存储的块上，从而屏蔽物理位置与设备细节；进程先用路径名定位，再用返回的 fd/handle 进行实际读写。

文件的属性包括:

Name: 唯一以人类可读的形式表示
Identifier: 唯一标识文件的标签（数字）
Type: 文件类型
Location: 指向文件在设备上的位置
Size: 文件当前的大小
Protection: 控制谁能读、写、执行
Time, date, and user identification:·数据用于保护、安全和使用监控

File Operations (文件操作)¶

Create
Write
Read
Reposition within file
Delete
Truncate
Open(\(F_i\)): 在磁盘上的目录结构中搜索条目 \(F_i\)，并将条目内容移至内存。
Close(\(F_i\)): 将内存中的条目 \(F_i\) 内容移至磁盘上的目录结构中。

Open Files¶

管理打开文件需要几块数据：

File pointer: 指向最后读取/写入位置的指针，每一个打开该文件的进程都有一个。
File-open count: 文件打开次数计数器 —— 允许在最后一个进程关闭文件时从打开文件表中移除数据。
Disk location of the file: 数据访问信息的缓存。
Access rights: 每个进程的访问模式信息。

File Types (文件类型)¶

从操作系统角度:
- 操作系统支持多种文件类型
- Unix (Linux, Mac OS) 和 Windows: 普通文件、目录文件
- Unix (Linux, Mac OS): 字符设备文件、块设备文件、符号链接文件等
- 普通文件: 可执行文件、文本文件
从用户角度:
- 文件拓展名有其含义
- Windows中,文件拓展名和文件类型有关
- Linux中,文件拓展名是一种约定,和文件类型无关

文件内部结构¶

无结构文件(Non-structured files)¶

无文件结构就是由字节组成的文件,没有文件头和文件尾,也没有文件的元数据。进程通过读写指针来找到下一个要访问的字节。

有结构文件(Structured files)¶

也称记录文件(record file)

记录相当于是文件的条目,分为定长记录和变长记录。在读取文件时,以记录为单位,而不是字节为单位。

文件访问方法¶

顺序访问 (Sequential Access):
- 从文件开头开始,按顺序读取或写入记录。
- 适合已知访问模式的文件，如日志文件。
随机访问 (Random Access):
- 可以跳转到文件的任意记录进行读取或写入。
- 适合需要频繁跳转访问的文件，如数据库文件。
直接访问 (Direct Access):
- 每个记录都有自己的地址，可以直接访问。
- 适合需要快速访问特定记录的文件，如索引文件。
索引访问 (Indexed Access):
- 通过索引表快速定位记录。
- 适合需要快速访问特定记录的文件，如数据库文件。

目录结构¶

目录(directory)也是一种文件,它内部存储的是文件名 \(\leftrightarrow\) 索引节点号（Inode Number）的映射。

Single-Level Directory¶

单级目录让所有用户共用一个目录,不便于管理。

单级目录

Two-Level Directory¶

两级目录让每个用户都有自己的目录,每个用户可以拥有相同文件名的文件。

两级目录

Tree Directory¶

树形目录的概念就像是文件夹里套文件夹

树形目录

树形目录也带来了绝对路径和相对路径的区分:

Absolute path (绝对路径): 也就是从根目录开始的路径。
Relative path (相对路径): 从当前目录开始的路径。

Acyclic Graph Directories (有向无环图目录)¶

允许目录共享子目录和文件

有向无环图目录

在树形目录中，文件不能共享。如果两个用户想一起开发一个项目，需要共享文件，树形结构就变得极其复杂且低效。有向无环图（Acyclic Graph Directory）允许不同目录下的条目指向同一个文件或子目录，从而实现共享。

这就引入了链接（Link）的概念，主要分为两种：

硬链接 (Hard Link):
- 两个不同的目录项指向同一个索引节点 (Inode)。
- 删除时，采用引用计数 (Reference Counting)。每当建立一个硬链接，引用计数加 1；删除一个链接时，计数减 1。只有当计数变为 0 时，才真正释放文件空间。
- 限制: 不能跨文件系统创建硬链接，且通常不允许对目录创建硬链接（防止环路）。
软链接 (Soft Link / Symbolic Link):
- 创建一个新的文件（类型为 Link），其内容是目标文件的路径名。
- 当访问软链接时，操作系统读取其内容（路径），然后跳转到目标文件。
- 悬空指针 (Dangling Pointer): 如果目标文件被移动或删除，软链接依然存在，但指向无效路径。
- 优点: 可以跨文件系统，也可以链接目录。

File System Mounting¶

Mounting (挂载) 是将文件系统连接到目录树的过程。

Mount Point (挂载点): 目录树中的一个位置（通常是一个空目录），新的文件系统将连接到该位置。
在挂载之前，操作系统必须验证设备包含有效的文件系统。
操作系统维护一个 Mount Table，记录包含挂载点和对应设备/文件系统的信息。
形象理解: 挂载就像是把一棵新的“子树”嫁接到主“目录树”的某个树枝（挂载点）上，使得这棵新树的所有内容成为主树的一部分，可以通过主树的路径访问。

文件系统结构¶

文件系统是一种机制，用于组织和管理文件，提供文件的创建、读取、写入、删除等操作。

分层架构 (Layered Architecture)¶

文件系统的设计通常采用分层结构，一层一层的完成文件系统的功能,从用户操作到实际的磁盘读写。

每层仅利用较低层提供的功能，为更高层创建新的功能：

Logical File System (逻辑文件系统)
- 职责: 管理元数据（Metadata），即管理文件系统结构而非实际数据。
- 功能:
  - 管理目录结构，将符号文件名（Symbolic Name）映射到内部标识符（如 Inode）。
  - 维护 文件控制块 (FCB)。
  - 负责文件的保护和通过权限检查。
File Organization Module (文件组织模块)
- 职责: 负责文件逻辑块与物理块之间的映射。
- 功能:
  - 地址转换: 将文件的逻辑地址（Logical Block Address）转换为磁盘的物理地址（Physical Block Address）。
  - 空闲空间管理: 跟踪未分配的磁盘块。
Basic File System (基本文件系统)
- 职责: 向设备驱动程序发送通用命令。
- 功能:
  - 处理物理块（Physical Block）的读写。
  - 管理内存缓冲区和缓存（Buffer/Cache），以保存文件系统、目录和数据块。
I/O Control (I/O 控制)
- 职责: 直接与硬件交互。
- 组成:
  - 设备驱动程序 (Device Drivers): 将通用命令翻译成特定设备的底层指令。
  - 中断处理程序 (Interrupt Handlers): 处理I/O完成后的信号，并在内存和磁盘系统之间传输信息。

FCB

File Control Block (文件控制块)，在 Unix 中常被称为 Inode (Index Node)。它是文件系统用来维护文件所有元数据的数据结构。文件系统中的每个文件都有唯一的 FCB。

FCB 通常包含以下信息：

File permissions (文件权限): 读、写、执行权限。
File dates (文件时间): 创建、最后访问、最后修改时间。
File owner, group, ACL (文件所有者、组、访问控制列表).
File size (文件大小).
File data blocks or pointers to file data (文件数据块或指向数据的指针).

FCB存储在硬盘的Inode中。