一、文件系统

1.1 文件系统的层次结构

1. 用户需要通过操作系统提供的接口发出上述请求——用户接口
2. 由于用户提供的是文件的存放路径，因此需要操作系统一层一层地查找目录，找到对应的目录项——文件目录系统
3. 不同的用户对文件有不同的操作权限，因此为了保证安全，需要检查用户是否有访问权限——存取控制模块（存取控制验证层）
4. 验证了用户的访问权限之后，需要把用户提供的“记录号”转变为对应的逻辑地址——逻辑文件系统与文件信息缓冲区
5. 知道了目标记录对应的逻辑地址后，还需要转换成实际的物理地址——物理文件系统
6. 要删除这条记录，必定要对磁盘设备发出请求——设备管理程序模块
7. 删除这些记录后，会有一些盘块空闲，因此要将这些空闲盘块回收——辅助分配模块

1.2 文件系统的全局结构

• 原始磁盘 → 物理格式化 → 逻辑格式化 →
• 物理格式化，即低级格式化——划分扇区，检测坏扇区，并用备用扇区替换坏扇区
• 逻辑格式化后，磁盘分区（分卷 Volume），完成各分区的文件系统初始化（灰色部分就有实际数据了，白色部分还没有数据）
  
• open系统调用打开文件的过程
  

1.3 虚拟文件系统

• 虚拟文件系统的特点：
  1. 向上层用户进程提供统一标准的系统调用接口，屏蔽底层具体文件系统的实现差异
  2. VFS要求下层的文件系统必须实现某些规定的函数功能，如：open/read/write。一个新的文件系统想要在某操作系统上被使用，就必须满足该操作系统VFS的要求
  3. 每打开一个文件，VFS就在主存中新建一个 vnode，用统一的数据结构表示文件，无论该文件存储在哪个文件系统
• vnode 只存在于主存中，而 inode 既会被调入主存，也会在外存中存储
• 存在的问题：不同的文件系统，表示文件数据结构各不相同；打开文件后，其在内存中的表示就不同
  

1.4 文件系统挂载（mounting）

• 文件系统挂载（mounting），即文件系统安装/装载
• 文件系统挂载要做的事：
  1. 在VFS中注册新挂载的文件系统，**内存中的挂载表（mount table）**包含每个文件系统的相关信息，包括文件系统类型、容量大小等
  2. 新挂载的文件系统，要向VFS提供一个函数地址列表
  3. 将新文件系统加到挂载点（mount point），也就是将新文件系统挂载在某个父目录下

二、磁盘

2.1 磁盘的结构

• 磁盘的基本概念
  • 磁盘：磁盘的表面由一些磁性物质组成，可以用这些磁性物质来记录二进制数据
  • 磁道：磁盘的盘面被划分成一个个磁道，这样的一个“圈”就是一个磁道。最内侧磁道上的扇区面积最小，因此数据密度最大
  • 扇区：一个磁道又被划分成一个个扇区，每个扇区就是一个“磁盘块”。各个扇区存放的数据量相同
• 需要把“磁头”移动到想要读/写的扇区所在的磁道，磁盘会转起来，让目标扇区从磁头下面划过，才能完成对扇区的读/写操作
• 磁盘的物理地址：可用（柱面号，盘面号，扇区号）来定位任意一个“磁盘块”（文件数据存放在外存中的几号块，这个块号就可以转换成（柱面号，盘面号，扇区号）的地址形式）
• 根据该地址读取一个“块”：
  1. 根据“柱面号”移动磁臂，让磁头指向指定柱面
  2. 激活指定盘面对应的磁头
  3. 磁盘旋转的过程中，指定的扇区会从磁头下面划过，这样就完成了对指定扇区的读/写
• 磁盘的分类
  • 盘头可否移动：活动头磁盘、固定头磁盘
  • 盘片能否更换：可换盘磁盘、固定盘磁盘
    

2.2 磁盘调度算法

2.2.1 一次磁盘读/写操作需要的时间

• 寻找时间（寻道时间）T_S：在读/写数据前，将磁头移动到指定磁道所花的时间
  1. 启动磁头臂是需要时间的，假设耗时为 s
  2. 移动磁头也是需要时间的，假设磁头匀速移动，每跨越一个磁道耗时为 m，总共需要跨越 n 条磁道。则：寻道时间 T_S = s + m*n（现在的硬盘移动一个磁道大约需要0.2ms，磁臂启动时间约为2ms）
• 延迟时间T_R：通过旋转磁盘，使磁头定位到目标扇区所需要的时间。设磁盘转速为 r （单位：转/秒，或 转/分），则平均所需的延迟时间 T_R = (1/2)*(1/r) = 1/2r（1/r 就是转一圈需要的时间，找到目标扇区平均需要转半圈，因此再乘以 1/2）
• 传输时间T_t：从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间，假设磁盘转速为 r，此次读/写的字节数为 b，每个磁道上的字节数为 N。则：传输时间T_t = (1/r) * (b/N) = b/(rN)
• 延迟时间和传输时间都与磁盘转速相关，且为线性相关；转速是硬件的固有属性，无法优化
• 操作系统的磁盘调度算法会影响寻道时间
• 总的平均存取时间 T_a = T_S + 1/2r + b/(rN)

2.2.2 先来先服务算法FCFS

• 根据进程请求访问磁盘的先后顺序进行调度
• 优点：公平；如果请求访问的磁道比较集中的话，算法性能还算过的去
• 缺点：如果有大量进程竞争使用磁盘，请求访问的磁道很分散，则FCFS在性能上很差，寻道时间长

2.2.3 最短寻找时间优先SSTF

• SSTF 算法会优先处理的磁道是与当前磁头最近的磁道。可以保证每次的寻道时间最短，但是并不能保证总的寻道时间最短。（其实就是贪心算法的思想，只是选择眼前最优，但是总体未必最优）
• 优点：性能较好，平均寻道时间短
• 缺点：可能产生“饥饿”现象

2.2.4 扫描算法SCAN电梯算法

• 扫描算法（SCAN）：只有磁头移动到最外侧磁道的时候才能往内移动，移动到最内侧磁道的时候才能往外移动
• 由于磁头移动的方式很像电梯，因此也叫电梯算法
• 优点：性能较好，平均寻道时间较短，不会产生饥饿现象
• 缺点：
  1. 只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向
  2. SCAN算法对于各个位置磁道的响应频率不平均

2.2.5 LOOK调度算法

• LOOK 调度算法：如果在磁头移动方向上已经没有别的请求，就可以立即改变磁头移动方向（边移动边观察，因此叫 LOOK）
• 优点：比起 SCAN 算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短

2.2.6 循环扫描算法C-SCAN

• C-SCAN 算法：只有磁头朝某个特定方向移动时才处理磁道访问请求，而返回时直接快速移动至起始端而不处理任何请
  求
• 优点：比起SCAN 来，对于各个位置磁道的响应频率很平均
• 缺点：
  1. 只有到达最边上的磁道时才能改变磁头移动方向；并且，磁头返回时并不一定需要返回到最边缘的磁道
  2. 另外，比起SCAN算法来，平均寻道时间更长。

2.2.7 C-LOOK调度算法

• C-LOOK 算法：如果磁头移动的方向上已经没有磁道访问请求了，就可以立即让磁头返回，并且磁头只需要返回到有磁道访问请求的位置即可
• 优点：比起 C-SCAN 算法来，不需要每次都移动到最外侧或最内侧才改变磁头方向，使寻道时间进一步缩短

2.3 减少延迟时间的方法

• 延迟时间：将目标扇区转到磁头下面所花的时间
• 磁头读入一个扇区数据后需要一小段时间处理，如果逻辑上相邻的扇区在物理上也相邻，则读入几个连续的逻辑扇区，可能需要很长的“延迟时间”

2.3.1 交替编号、错位命名

- 若采用**交替编号**的策略，即让逻辑上相邻的扇区在物理上有一定的间隔，可以使读取连续的逻辑扇区所需要的延迟时间更小
- 采用**错位命名法**，因此读取完磁盘块（000, 00, 111）之后，还有一段时间处理，当（000, 01, 000）第一次划过1号盘面的磁头下方时，就可以直接读取数据。从而减少了延迟时间

2.3.2 磁盘地址结构的设计

• 为什么磁盘的物理地址是（柱面号，盘面号，扇区号）而不是（盘面号，柱面号，扇区号）？
• 答：若物理地址结构是（柱面号，盘面号，扇区号），且需要连续读取物理地址 （000, 00, 000）~（000, 01, 111）的扇区：（000, 00, 000） ~（ 000, 00, 111 ） 由盘面0的磁头读入数据之后再读取物理地址相邻的区域，即（000, 01, 000） ~（ 000, 01, 111 ），由于柱面号/磁道号相同，只是盘面号不同，因此不需要移动磁头臂，只需要激活相邻盘面的磁头即可。

2.4 磁盘的管理

2.4.1 磁盘初始化

1. 进行低级格式化（物理格式化），将磁盘的各个磁道划分为扇区。一个扇区通常可分为 头、数据区域、尾 三个部分组成。管理扇区所需要的各种数据结构一般存放在头、尾两个部分，包括扇区校验码（如奇偶校验、CRC循环冗余校验码等，校验码用于校验扇区中的数据是否发生错误）
2. 将磁盘分区，每个分区由若干柱面组成（即分为我们熟悉的 C盘、D盘、E盘）
3. 进行逻辑格式化，创建文件系统。包括创建文件系统的根目录、初始化存储空间管理所用的数据结构（如 位示图、空闲分区表）

2.4.2 引导块

• 计算机开机时需要进行一系列初始化的工作，通过执行**初始化程序（自举程序）**完成；初始化程序可以放在ROM （只读存储器）中，ROM中的数据在出厂时就写入了，并且以后不能再修改
• 完整的自举程序放在磁盘的启动块（即引导块/启动分区）上，启动块位于磁盘的固定位置
• 拥有启动分区的磁盘称为启动磁盘或系统磁盘（C:盘）
• ROM中只存放很小的“自举装入程序”，开机时计算机先运行“自举装入程序”，通过执行该程序就可找到引导块，并将完整的“自举程序”读入内存，完成初始化

2.4.3 坏块的管理

• 坏块：坏了、无法正常使用的扇区；属于硬件故障，操作系统是无法修复的。应该将坏块标记出来，以免错误地使用到它
• 简单的磁盘：逻辑格式化时（建立文件系统时）对整个磁盘进行坏块检查，标明哪些扇区是坏扇区，比如：在 FAT 表上标明。（在这种方式中，坏块对操作系统不透明）
• 复杂的磁盘：磁盘控制器（磁盘设备内部的一个硬件部件）会维护一个坏块链表，在磁盘出厂前进行低级格式化（物理格式化）时就将坏块链进行初始化
• 扇区备用：保留一些“备用扇区”，用于替换坏块；这种处理方式中，坏块对操作系统透明

2.5 固态硬盘SSD

• 机械硬盘 vs 固态硬盘
  
• 固态硬盘基于闪存技术，一个固态硬盘可能包含多个闪存芯片
• 系统对SSD的读/写以页为单位
• 写入数据时，若其他页上有数据则，将其他页的数据复制到另一个块上并写入；并擦除原块
• 优点：SSD读写速度快，随机访问性能高，用电路控制访问位置（机械硬盘通过移动磁臂旋转磁盘控制访问位置，有寻道时间和旋转延迟）；安静无噪音、耐摔抗震、能耗低、造价更贵
• 磨损均衡技术：
  • 动态磨损均衡：写入数据时，优先选择累计擦除次数少的新闪存块
  • 静态磨损均衡：SSD监测并自动进行数据分配、迁移，让老旧的闪存块承担以读为主的储存任务，让较新的闪存块承担更多的写任务