操作系统（4）文件系统管理

约定不等于承诺〃 2022-12-03 02:27 217阅读 0赞

对于绝大多数用户而言，文件系统是操作系统中最为常见的可见部分。它提供了在线存储和访问计算机操作系统和所有用户的程序和数据的机制。文件系统由两个部分组成：一组文件（文件用于存储相关数据）和目录结构（目录用于组织系统内的文件并提供有关文件的信息）。

**文件**是**对磁盘的抽象**

**所谓文件：是指一组带标识（标识即为文件名）的、在逻辑上有完整意义的信息项的序列**

## 1. 文件的存储介质 ##

**典型的存储介质**

*  磁盘(包括固态盘SSD)、磁带、光盘、U盘

**物理块（块block、簇cluster）**

*  信息存储、传输、分配的独立单位
 *  存储设备划分为大小相等的物理块，统一编号

### 1.1 磁盘结构 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

任何时刻只有一个磁头处于活动状态：输入输出数据流以位串形式出现

**物理地址形式：磁头号（盘面号）、磁道号（柱面号）、扇区号**

**扇区：标题(10字节)、数据(512字节)、ECC纠错信息(12-16字节)**

###  ###

### 1.2 磁盘访问 ###

一次访盘请求：读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）

**完成过程由三个动作组成：**

*  寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道
 *  旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过
 *  数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输

## 2. 文件的物理结构 ##

主要解决的问题：

*  假设一个文件被划分成N块，这N块在磁盘上是怎么存放的？
 *  其地址(块号或簇号)在FCB中是怎样记录的？

### 2.1 连续（顺序）结构 ###

在连续结构中，文件的信息存放在若干连续的物理块中

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

**连续结构有点类似于可变分区式内存管理，会产生外碎片**

**优点**

*  简单
 *  支持顺序存取和随机存取
 *  所需的磁盘寻道次数和寻道时间最少
 *  可以同时读入多个块，检索一个块也很容易

**缺点**

*  文件不能动态增长
    
     *  预留空间：浪费 或 重新分配和移动
 *  不利于文件插入和删除
 *  外部碎片：紧缩技术

### 2.2 链接结构 ###

在链接结构中，一个文件的信息存放在若干不连续的物理块中，各块之间通过指针连接，前一个物理块指向下一个物理块

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

**优点**

*  提高了磁盘空间利用率，不存在外部碎片问题
 *  有利于文件插入和删除
 *  有利于文件动态扩充

**缺点**

*  存取速度慢，不适于随机存取
 *  可靠性问题，如指针出错
 *  更多的寻道次数和寻道时间
 *  链接指针占用一定的空间

### 2.3 索引结构 ###

在索引结构中，一个文件的信息存放在若干不连续物理块中

*  系统为每个文件建立一个专用数据结构—**索引表**，并将这些物理块的块号存放在该索引表中
 *  索引表就是磁盘块地址数组，其中第i个条目指向文件的第i块

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

**优点**

*  保持了链接结构的优点，又解决了其缺点
 *  既能顺序存取，又能随机存取
 *  满足了文件动态增长、插入删除的要求
 *  能充分利用磁盘空间

**缺点**

*  较多的寻道次数和寻道时间
 *  索引表本身带来了系统开销，如：内存、磁盘空间，存取时间

### 2.4 索引表的组织方式 ###

问题：索引表很大，需要多个物理块存放时怎么办？

1.  **链接方式**：一个盘块存一个索引表，多个索引表链接起来
2.  **多级索引方式**：将文件的索引表地址放在另一个索引表中
3.  **综合模式**：直接索引方式+间接索引方

多级索引方式示意图如下

![20200901171623503.png][]

总和模式示意图如下

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQwNTg3NTc1_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

### 2.5 UNIX采用三级索引结构 ###

UNIX文件系统采用的是多级索引结构(综合模式)

*  每个文件的索引表有15个索引项，每项2个字节
 *  前12项直接存放文件的物理块号（直接寻址）
 *  如果文件大于12块，则利用第13项指向一个物理块，在该块中存放文件物理块的块号（一级索引表）
 *  对于更大的文件还可利用第14和第15项作为二级和三级索引表

假设扇区大小为512字节，物理块等于扇区块大小，一级索引表可以存放256个物理块号

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