操作系统学习笔记（十一）－－ 文件系统管理（下）

最近开始学习操作系统原理这门课程，特将学习笔记整理成技术博客的形式发表，希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论，大家一起多多交流，共同进步！

本文主要分以下几个方面：

• 文件系统结构 File-System Structure
• 分配方法 Allocation Methods
• 空闲空间分配 Free-Space Management
• 目录实现 Directory Implementation

文件系统结构：相关信息的集合

• 文件系统在二级存储空间内
• 文件系统以分层方式构建
• 文件控制块(File control block) --> 包含目录的内容

Application programs 应用程序 --> logical file system 逻辑文件结构 --> File organization module --> I/O control --> Devices

组织结构：

1. 连续分配 Contiguous Allocation -- 应用于记录型文件

• 每个文件在磁盘上占据连续的物理块，假设每个块保存一个记录，则该文件有50个记录 --> 占据50个连续物理块
• 简单－－ 只需要开始地址与长度
• 支持随机访问：可以任意的访问某个记录
• 浪费空间（动态存储分配问题）
• 文件长度不能增加
• 从逻辑地址到物理地址的映射较简单

2. 链接式分配：每一个块中有一个指针项，用于指明下一个块的块号

• 每一个文件都是以链表形式连接的结构；块可以随意散列在磁盘中
• 按需分配，按link方式连接

　　优点： 简单，只需要起始地址； 空闲空间管理系统－没有浪费空间。

　　缺点： 无法随机访问，访问效率低； 映射结构复杂

如何使用一个指针实现双向链表的访问：将指针指设为该块上下块号的异或。

3. 索引分配 Indexed Allocation

把所有指针都装入一个专门的索引块。

• 需要索引表（至少一级）
• 支持随机访问
• 动态访问没有外碎片，但会有索引块消耗
• 从逻辑地址到物理地址的映射信息保存在索引块中

组合机制 Combined Scheme：用于UNIX（每块4K）

• 直接分配保存不超过12个块的值
• 直接分配＋索引分配

空闲空间管理 Free-Space Management

1. 位示图 Bit vector 一个大小为n的数组 bit[i] = 0=>block[i] free; 1=>block[i] occupied

　　块号计算：

　　从索引表中取实际物理块号：(number of bits per word) * (number of 0-value words) + offset of first 1 bit

　　回收：物理块号以每个字的比特数为商取整取余。

　　位示图会占据额外空间，假设块大小为2¹²bytes=4KB，磁盘大小2³⁰bytes=1GB，则n=2³⁰/2¹²=32KB.

　　优点：

　　　　1. 由于占用空间小，可以常驻内存，分配和回收速度相对磁盘较快

　　　　2. 支持连续内存分配

　　　　3. 支持链接分配和索引分配

　　2. 空白块链 Linked List：不支持连续文件；没有空间浪费

　　3. 空白文件目录 Counting: 类似于内存的分段式管理，支持连续空间分配

性能和效率：

　　效率取决于：

• • 磁盘分配和目录查找的方法
  • 文件的数据类型

　　性能取决于：

• • 磁盘缓冲 disk cache
  • 延后释放 free-behind 和 提前读取 read-ahead
  • 在内存中开辟虚拟磁盘

恢复 Recovery：对备份和当前磁盘内容进行一致性检查(Consistency Checher)