文件与文件系统
FCB（文件控制块）
文件是什么？
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文件是对 磁盘的抽象
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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。
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信息项：构成文件内容的基本单位（单个字节，或多个字节），各信息项之间具有顺序关系
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文件内容的意义：有文件建立者和使用者解释
文件系统：
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操作系统中统一管理信息资源的一种软件，管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并且方便用户使用
文件的分类：
按文件性质和用途分类（UNIX）
普通文件；目录文件；特殊文件（设备文件）；管道文件；套接字
普通文件（regular）
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包含了用户的信息，一般为ASCII或二进制文件
目录文件（directory）
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管理文件系统的系统文件
特殊文件（special file）
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字符设备文件：和输入输出有关，用于模仿串行I/O设备，例如终端，打印机，网卡等，
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块设备文件：磁盘
文件属性：
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文件控制块
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为管理文件而设置的数据结构，保存管理文件所需的所有有关信息
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（文件属性或元数据）
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常用属性
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文件名，文件号，文件大小，文件地址，创建时间，最后修改时间，最后访问时间，保护，口令创建者，当前拥有者，文件类型，共享计数，各种标志（只读、隐藏、系统、归档、ASCII/二进制、顺序/随机访问、临时文件、锁）
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文件目录：
统一管理每个文件的元数据，以支持文件名到文件物理地址的转换。
将所有文件的管理信息组织在一起，即构成文件目录
目录文件
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将文件目录以文件的形式存放在磁盘上
目录项：
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构成文件目录的基本单元
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目录项可以是FCB，目录是文件控制块的有序集合。
与目录相关的概念：
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路径名（文件名）
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绝对路径： 从根目录开始
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相对路径： 从当前目录开始
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当前目录/工作目录
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目录操作
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创建目录、删除目录
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读目录、写目录、改名、复制
连续结构的优缺点
优点：
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简单
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支持顺序存取和随机存取
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所需的磁盘寻道次数和寻到时间最少
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可以同时读入多个块，检索一个块也很容易
缺点：
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文件不能动态增长
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预留空间：浪费或 重新分配和移动
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链接结构
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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
优点：
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提高了磁盘空间利用率，不存在外部碎片问题
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有利于文件插入和删除
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有利于文件动态扩充
缺点：
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存取速度慢，不适于随机存取
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可靠性问题，如指针出错
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更多的寻道次数和寻道时间
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链接指针占用一定的空间
索引结构：
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一个文件的信息存放在若干不连续物理块中
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系统为每一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
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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
优点：
保持了链接结构的优点，有解决了其缺点
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既能顺序存取，又能随机存取
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满足了文件动态增长、插入删除的要求
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能充分利用磁盘空间
缺点：
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较多的寻道次数和寻道时间
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索引表本身带来了系统开销
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如：内存、磁盘空间，存取时间
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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？
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链接方式
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一个盘块存一个索引表，多个索引表连接起来
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多级索引方式
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将文件的索引表地址放在另一个索引表中
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综合模式
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直接索引方式 与 间接索引方式 结合
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内存中所需的数据结构——以UNIX为例
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系统打开文件表
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整个系统一张
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放在内存：用于保存已打开文件的FCB
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FBC(i节点)信息
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引用计数
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修改标记
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用户打开文件表
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每个进程一个
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进程的PCB中记录了用户打开文件表的位置上
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文件描述符
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打开方式
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读写指针
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系统打开文件表索引
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目录文件实现时的改进
提问：如何加快目录检索？
一种解决方案：
目录项分解法：即把FCB分成两部分
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符号目录项
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文件名，文件号
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基本目录项
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除文件名外的所有字段
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例子：UNIX的I节点（索引节点或inode）
UNIXwen文件系统
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FCB=目录项+i节点
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目录项：文件名+i节点号
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目录文件由目录项构成
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i节点：描述文件的相关信息
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每个文件由一个目录项、一个i节点和若干磁盘块构成
Windows——FAT16文件系统
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簇大小：1、2、4、8、16、32或64扇区
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文件系统的数据记录在“引导扇区”中
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文件分配表FAT的作用
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描述簇的分配状态、标注下一簇的簇号等
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FAT表项：2字节
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目录项：32字节
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根目录大小固定
文件分配表FAT
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可以把文件分配表看成是一个整数数组，每个整数代表磁盘分区的一个簇号
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状态
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未使用、坏簇、系统保留、被文件占用（下一簇簇号）、最后一簇（0xFFFF）
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簇号从0开始编号，簇0和簇1是保留的
文件操作的实现
创建文件：
建立系统与文件的联系，实质是建立文件的FCB（文件控制块）
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在目录中为新文件建立一个目录项，根据提供的参数及需要填写相关内容
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分配必要的储存空间
打开文件：
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根据文件名在文件目录中检索，并将改文件的目录项读入内存，建立相应的数据结构，为后续的文件操作做好准备
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文件描述符/文件句柄
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文件系统的管理
文件系统
可靠性：
抵御和预防各种物理性破坏和人为性破坏的能力
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坏块问题
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备份
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通过转储操作，形成文件或文件系统的多个副本。
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文件系统备份：
全量转储：
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定期将所有文件拷贝到后援存储器
增量转储：
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只转储修改过的文件，即两次备份之间的修改，减少系统开销
物理转储：
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从磁盘第0块开始，将所有磁盘块按序输出到磁带
逻辑转储：
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从一个或几个指定目录开始，递归地转储自给定日期后，所有更改的文件和目录。
文件系统一致性：
问题的产生：
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磁盘——>内存——>写会磁盘块
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若在写回之前，系统崩溃，则文件系统出现不一致
解决方案：
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设计一个使用程序，当系统再次启动时，运行该程序，检查磁盘块和目录系统
文件系统的写入策略：
通写
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内存中的修改立即写到磁盘
缺点：速度性能差
例：FAT文件系统
延迟写
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利用回写缓存的方法得到高速
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可恢复性差
可恢复写
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采用事务日志来实现文件系统的写入
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既考虑安全性，有考虑速度性能。
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例：NTFS
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文件的安全性
文件保护机制
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用于提供安全性、特定的操作系统机制
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对拥有权限的拥护，应该让其进行相应操作，否则，应禁止
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防止其他用户冒充对文件操作
UNIX的文件访问控制
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采用文件的二级存取控制
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审查用户的身份、审查操作的合法性
文件系统的性能问题
磁盘服务
—》速度成为系统性能的主要瓶颈之一
设计文件系统应尽可能减少访问次数
提高文件系统性能的方法：
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目录项（FCB）分解、当前目录、磁盘碎片整理、块高速缓存、磁盘调度、提前读取、合理分配磁盘空间、信息的优化分布、RAID技术.......
详细如下：
块高速缓存
又称为文件缓存、磁盘高速缓存、缓冲区高速缓存
是指：在内存中为磁盘块设置的一个缓存区，保存了磁盘中某些块的副本
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检查所有的读者请求，看所需块是否在高速缓存
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如果在，则可直接进行读写操作；否则，先将数据读入块高速缓存，再拷贝到所需的地方
关于实现：
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块高速缓存的组织
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块高速缓存的置换（修改LRU）
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块高速缓存写入策略
提前读取：
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思路：每次访问磁盘，多读入一些磁盘块
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依据：程序执行的空间局部性原理
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开销：较小（只有数据传输时间）
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具有针对性
Windows的文件访问方式
不使用文件缓存
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普通方式
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通过Windows提供的FlushFileBuffer函数实现
使用文件缓存
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预读取。每次读取的块大小、缓冲区大小、置换方式
异步模式
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不再等待磁盘操作的完成
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使处理器和I/O并发工作
用户对磁盘的访问通过访问文件缓存
来实现
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由Windows的Cache Manager实现对缓存的控制
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读取数据的时候预取
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在Cache满时，根据LRU原则清除缓存的内容
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在定期更新磁盘内容使其与Cache一致（1秒）
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Write-back机制
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在用户要对磁盘写数据时，只更改Cache中的内容，由Cache Manager决定何时将更新反映到磁盘
合理分配磁盘空间：
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分配磁盘块时，把有可能顺序存取的块放在一起
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——>尽量分配在同一柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数和距离
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磁盘调度
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当有多个访盘请求等待时，采用一定的策略，对这些请求的服务顺序调整安排
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——》降低平均磁盘服务时间，达到公平、高效
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公平：一个I/O请求在有限时间内满足
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高效：减少设备机械运动带来的时间开销
RAID技术的思想
数据是如何组织的？
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通过把多个磁盘组织在一起，作为一个逻辑卷提供磁盘跨越功能
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通过把数据分成多个数据块，并行写入/读出多个磁盘，以提高数据传输率（数据分条stripe）
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通过镜像或校验操作，提供容错能力
RAID 0——条带华
主体思想——
无冗余（即无差错控制）性能最佳
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数据分布在阵列的所有磁盘上
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有数据请求时，同时多个磁盘并行操作
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充分利用总线带宽，数据吞吐率提高，驱动器负载均衡
RAID 1——镜像
主体思想——数据安全性最好
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最大限度保证数据安全及可恢复性
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所有数据同时存在于两块磁盘的相同位置
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磁盘利用率%50
RAID 4 交错块奇偶校验
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带奇偶校验
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以数据块为单位
