【操作系统/OS笔记17】文件系统基本概念、文件描述符、文件系统访问、文件别名、文件系统种类

本次笔记内容：
12.1 文件系统：总体介绍
12.2 基本概念
12.3 基本概念——文件系统和文件
12.4 基本概念——文件系统的功能
12.5 基本概念——文件和块
12.6 基本概念——文件描述符
12.7 基本概念——目录
12.8 基本概念——文件别名
12.9 基本概念——文件系统种类

文章目录

文件系统和文件的概念
文件系统的功能（用户角度）
文件和块（文件角度）
文件描述符（编程者角度）
- 文件描述符的概念与功能
- 磁盘块与数据的对应
- 用户怎么访问文件
- 文件结构
- 文件访问与保护
- 语义：他人能否访问文件内数据
目录
- 目录路径遍历
- 挂载
文件别名
- 如果删除了一个有别名的文件，会如何？
- 应避免出现循环
文件系统的种类

文件系统和文件的概念

文件系统：一种用于持久性存储的系统抽象。

在存储器上：组织、控制、导航、访问和检索数据；
大多数计算机系统包含文件系统；
个人电脑、服务器、笔记本电脑；
iPod、Tivo/机顶盒、手机/掌上电脑；
Google可能是由一个文件系统构成的。

文件：文件系统中一个单元的相关数据在操作系统中的抽象。

文件系统的功能（用户角度）

分配文件磁盘空间
- 管理文件块（哪一块属于哪一个文件）
- 管理空闲空间（哪一块是空闲的）
- 分配算法（策略）
管理文件集合
- 定位文件及其内容
- 命名：通过名字找到文件的接口
- 最常见：分层文件系统
- 文件系统类型（组织文件的不同方式）
提供的便利及特征
- 保护：分层来保护数据安全
- 可靠性/持久性：保持文件的持久即使能发生崩溃、媒体错误、供给等

文件和块（文件角度）

文件属性：名称、类型、位置、大小、保护、创建者、创建时间、最近修改时间等等。

文件头：

在存储元数据中保存了每个文件的信息；
保存文件的属性；
跟踪哪一块存储块属于逻辑上文件结构的哪个偏移。

文件描述符（编程者角度）

文件描述符的概念与功能

如上图，文件描述符是一个“数”，即操作系统中打开文件表中的index。

需要元数据数据来管理打开文件：

文件指针：指向最近一次读写位置，每个打开了这个文件的进程都这个指针；
文件打开计数：记录文件打开的计数，当最后一个进程关闭了文件时，允许将其从打开文件表中移除；
文件磁盘位置：缓存数据访问信息；
访问权限：每个程序访问模式信息。

用户视图：

持久的数据结构。

磁盘块与数据的对应

系统访问接口：

字符的集合（UNIX）；
系统不会关心你想存储在磁盘上的任何数据结构。

操作系统内部视角：

块的集合（块是逻辑转换单元，而扇区是物理转换单元）；
块大小&扇区大小：在UNIX中，块的大小是4KB。

举例：

当用户说：给我2-12字节空间时会发生什么？

获取字节所在的块；
返回块内对应部分。

如果说要写2-12字节呢？

获取块；
修改块内对应部分；
写回块。

在文件系统中所有操作都是在整个块空间上进行的，比如：getc()、putc()中，即使每次只能访问1字节的数据，也会缓存目标数据4096字节。

用户怎么访问文件

在系统层面需要知道用户的访问模式。

顺序访问：按字节依次读取。

几乎所有的访问都是这种方式。

随机访问：从中间读写。

不常用，但是仍然重要，例如，虚拟内存支持文件：内存页存储在文件中；
更加快速：不希望获取文件中间的内容的时候也必须先获取块内所有字节。

基于内容访问：通过特征。

许多系统不提供此种访问方式，相反，数据库是建立在索引内容的磁盘访问上（需要高效的随机访问）。

如上图，通过索引文件访问关系文件，这是典型的数据库模式，在操作系统中不常用。

文件结构

无结构：

单词、比特的队列。

简单记录结构：

列；
固定长度
可变长度

复杂结构：

格式化的文档（如MS Word、PDF）
可执行文件

实际上，操作系统通过“字节流”来理解组织文件，文件的具体结构与应用相关，与操作系统无关。由此可以简化操作系统的实现。

文件访问与保护

多用户系统中的文件共享是很必要的。

访问控制：

谁能够获得哪些文件的哪些访问权限；
访问模式：读、写、执行、删除、列举等。

文件访问控制列表（ACL）：

(文件实体，权限)

Unix模式：

将访问者分为三类：用户、组、所有人；
将操作分为三类：读、写、可执行；
用户ID识别用户，表明每个用户所允许的权限及保护模式；
组ID允许用户组成组，并指定了组访问权限。

语义：他人能否访问文件内数据

指定多用户/客户如何同时访问共享文件：

和过程同步算法相似；
因磁盘I/O和网络延迟而设计简单。

Unix文件系统（UFS）语义：

对打开文件的写入内容立即对其他打开同一文件的其他用户可见；
共享文件指针允许多用户同时读取和写入文件。

会话语义：

写入内容只有当前文件关闭时可见；
保证会话结束后，其他进程访问文件都可成功。

锁：

一些操作系统和文件系统提供该功能；
不同力度的文件锁可以保证执行的高效性，比如同时写文件。

文件别名

如上图，文件名即一个文件有多个名字。

在Unix中，有硬链接和软链接两种方式：

硬链接：多个文件项指向一个文件；
软链接：以“快捷方式”的形式，指向其他文件（快捷方式的内容是另一个文件的路径名）。

如果删除了一个有别名的文件，会如何？

对于硬链接：只是引用计数减少1，只有引用计数等于0时，才真正删除。

对于软链接：快捷方式形成“悬空指针”。

别名的管理、映射方式如上图。

应避免出现循环

目录应为树状结构，如果出现循环，可能出现异常现象，因此应避免出现循环，如上图。可以使用检测算法等方式避免循环的出现。

文件系统的种类

如上图，文件系分为多个类别。

现在的文件系统增加了日志功能，防止掉电打断中间状态，文件丢失。

谷歌文件系统，一种分布式文件系统，可以高速、高吞吐率、高容错、高可靠地访问。

在proc目录中，通过文件的方式来展现虚拟文件系统，使使用者可以很好地配置参数。

如上图，因其复杂性与多因素性，分布式文件系是实现时当前研究热点之一。