文件系统基础

1. 为什么我们需要文件系统
   • 持久化保存数据需求（Persistence）
   • 进程结束、关机/关电、宕机/掉电
   • 使用持久化存储设备：磁盘、SSD等
2. FS 是对持久化数据存储的抽象
   • 给用户/程序开发者提供一个逻辑上的持久化存储
     • 文件、目录形式
     • 简单、易理解、操作方便
   • 将复杂的、公共的管理功能从用户程序中移出
     • 存储设备管理，例如磁盘
     • 数据管理，即程序持久化数据的组织和增删改查
3. 对FS的基本需求
   • 能够保存大量（复杂多样）的信息 -> 管理问题
   • 多个进程同时访问 -> 并发控制问题
   • 多用户共享数据 & 私有数据 -> 安全保护问题

文件系统的用户视图

1. 文件：数据组织的单位
   • 文件是命名的字节数组
   • 用户将数据组织成文件，根据文件名来访问对应的数据
   • FS不感知文件的内容：使用文件的进程负责解析内容
2. 目录：文件组织的单位
   • 一组文件和目录的命名集合
   • 父目录、子目录
   • 同一目录下没有重名的
3. 名字空间：树形层次结构
   • 文件系统的逻辑视图

文件

1. 文件名：由字母、数字及某些特殊字符组成的字符串
   • 用户根据文件名来访问文件
   • 文件扩展名：描述文件的用途
2. 文件属性
   • 文件大小、所有者、时间戳、访问权限
   • 文件逻辑地址：0..fsize-1，指示数据在文件中的位置
3. 文件内容：无结构
   • OS将文件视为无结构的字节数组
   • 程序开发者可以定义任意结构的文件
4. 文件的类型
   • 常规文件、目录文件、设备文件、可执行文件
5. 文件的访问
   • 打开文件 & 文件描述符
   • 当前位置：文件内部的逻辑地址，范围是[0,fsize-1]
   • 访问方式（Access Mode）：读，写，执行
6. 文件的访问模式（Access Pattern)
   • 顺序访问
     • 从头到尾依次访问每个文件块
     • 顺序访问文件 不等于 磁盘上顺序访问扇区
   • 随机访问
     • 每次随机访问一个文件块
   • 按关键字访问
     • 查找包含关键字的文件及段落
     • 文件系统本身不提供此功能，需要借助应用程序完成
     • 与之相比，数据库自身可以实现按关键字查找记录

目录

1. 路径
   • 根目录 & 当前工作目录
   • . : 当前目录
   • .. : 根目录
   • 绝对路径 vs 相对路径
2. 目录：一种特殊的文件
   • 命中 & 属性
   • 目录和文件用相同的数据结构（inode）
     • 通过一个标志（i_mode）来区分文件和目录
   • 目录内容：描述它所包含的目录和文件集合
     • 有结构：逻辑上是一张表
     • 目录项：每个成员一项
     • 不同的FS采用不同的结构
     • 由FS负责维护和解析目录内容
     • 访问目录 vs 访问文件：通过不同的syscall实现

链接

1. 硬链接
   • 为文件共享提供的一种手段
     • 为文件创建一个新名字，无数据拷贝
     • 多个名字可以指向同一个文件
     • 一个文件可以同时拥有多个名字，甚至位于多个目录中
   • 限制
     • 不能跨文件系统
     • 不能链接目录
2. 符号链接
   • 另一种文件共享的手段
     • 创造一个普通文件，内容为目标地址的路径（绝对路径/相对路径）

文件系统内部结构

虚拟文件系统 和 物理文件系统

1. 虚拟文件系统
   • 同时挂载不同类型的FS
     • SUNFS访问本地的磁盘
     • SUN NFS访问远端服务器的FS
   • 实现FS接口和通用功能
2. 物理文件系统
   • 磁盘布局、数据结构、磁盘空间管理、名字空间管理等
3. 虚拟文件系统开关表
   • 用于物理文件系统的挂载与卸载
   • 每一种类型的文件系统有一个表项
     • 文件系统类型的名字
     • 初始化函数指针，用于 mount
     • 清除函数指针，用于 umount
   • 例子: mount -t ext4 /dev/sdb /home/os
     • 前提：
       • 文件系统类型ext4必须事先加载进内核
       • 挂载目录 /home/os 必须要已经创建好
     • 步骤
       • 根据文件系统类型，查VFS开关表，找到该ext4类型FS的初始化函数，即ext4_mount()
       • 调用ext4_mount
         • 读取superblock
         • 读取根目录i-node
       • 初始化一些内存数据结构

文件系统主要数据结构

i-node

inode：描述文件/目录，也成为文件元数据

1. 每个文件用一个i-node来描述
2. 文件元数据
   • mode: 文件类型和访问权限
   • size: 文件大小
   • nlinks: 硬链接数
   • uid: 所有者的user id
   • gid: 所有者的group id
   • ctime: 文件创建的时间戳
   • atime: 上一次访问文件的时间戳
   • mtime: 上一次修改文件的时间戳
3. ino：inode number，即i-node的ID，唯一标识一个文件（在一个FS内）
4. 文件块的索引信息：文件块的磁盘位置信息
   • <offset,count> -> 磁盘上的位置 （文件块# -> 磁盘逻辑块# LBN）
   • 不同的FS采取不同的索引机制

目录项（dentry）

dentry: 目录项，记录文件和inode的对应关系

1. 目录内容为它所包含的所有子目录和文件的名字及其ino
   • 不包含子目录的内容
2. 逻辑上，目录是一张映射表
   • 目录项(dentry): 文件名 -> ino
3. 物理上，目录项是一个字节数组
   • 文件名不等长，数组每一项不等长
4. 路径解析
   • 根据路径名，获得其ino
   • 逐级目录查找
   • 例子: /home/os/fs01.ppt
     • 从根目录开始，查找/home的ino
     • 在home目录下查找os的ino
     • 再os目录下查找fs01.ppt的ino
     • 根据fs01.ppt的ino，找到其数据块，进行读写操作

打开文件表（Open-file table）

打开文件表：记录进程打开的文件信息

1. 打开文件，通过 fd = open(path,flags,mode)实现
2. 打开文件表: Open-file table
   • 通过打开文件表（在内存中）把进程与文件的i-node进行关联
   • 路径名解析和权限检查，得到path的ino，读出它的inode（保存在磁盘上）
   • 将磁盘i-node拷贝到一个内存i-node结构中，在打开文件表中增加一项，包含以下内容
     • 文件的Reference Count
     • 当前文件的偏移量
     • 文件的访问模式
     • 内存inode结构的指针

文件描述符表：File Descriptor Table

1. 每个进程有一个文件描述符表
   • 指针数组，每个指针指向打开文件表中的一项，表示一个打开文件
   • 该指针在文件描述符表中的下表，即文件描述符fd

超级块（superblock）

superblock: 描述文件系统基本信息

1. 定义一个文件系统
   • 数据块的大小
   • i-node的大小
   • 数据块总数
   • i-node总数
   • 根目录ino
   • i-node表的起始地址
   • Block Bitmap的起始地址
   • i-node Bitmap的起始地址
2. 当前状态
   • 数据块的使用状态：已使用的块数、预留的块数、剩余的块数...
   • i-node的使用状态：已使用的i-node数、预留的i-node数、剩余的i-node数...

文件系统的磁盘布局

Boot Block | Superblock | Block Bitmap | i-node Bitmap | I-node Array | Data Blocks

1. 引导块
   • 启动OS的代码
2. Superblock：定义一个FS
   • FS的相关信息
3. 空闲空间管理相关的信息
   • Block Bitmap
   • i-node Bitmap
4. i-node表
   • 每个i-node描述一个文件或目录
5. 数据块
   • 文件块或目录块