7. 文件系统

# 文件系统概述

# 文件系统及其目标

信息是计算机系统中的重要资源，所有应用系统都需要存储和检索信息。操作系统的文件系统（File System）正是为了满足信息管理的需要而设计的，它负责信息的组织、存储和访问。

存储信息通常有三个基本要求：

• 大容量：能够存储大量的信息。
• 持久性：能够长期保存信息，即使系统断电也不会丢失。
• 可共享：允许多个进程或用户方便地共享信息。

为了满足这些要求，操作系统将信息以一种逻辑单元——即文件的形式，存储在磁盘等持久性存储介质上。文件系统作为操作系统中专门管理文件的部分，其核心目标是管理文件的存储、检索、更新，提供安全可靠的共享和保护手段，并为用户提供方便易用的接口。

# 文件系统的核心功能

• 方便的文件访问与控制：用户通过符号名称（即文件名）来标识和访问文件，无需关心其物理存储细节。
• 并发文件访问与控制：在多道程序环境中，支持多个进程对文件进行并发访问，并提供必要的同步与互斥机制。
• 统一的用户接口：为不同类型的存储设备提供统一、抽象的访问接口，简化用户操作和应用程序开发。
• 灵活的访问权限管理：在多用户系统中，允许为不同用户设置对同一文件的不同访问权限（如读、写、执行）。
• 优化性能：提升文件系统的存储效率、检索速度以及读写性能。
• 差错恢复：具备验证文件数据正确性的能力，并能在发生错误时进行一定程度的恢复。

# 文件系统的性能与用户体验

对大多数用户而言，文件系统是操作系统中最为可见的部分。操作系统本身、所有用户程序及数据都由文件系统负责存储和管理。因此，文件系统在操作系统接口中占据了核心地位，用户对操作系统的使用体验在很大程度上取决于文件系统的表现。

# 文件系统的两种视图

• 用户视图：关注文件系统如何呈现给用户。这包括文件的组成、命名规则、保护机制以及可对文件执行的操作等。这是从抽象和使用的角度来看待文件系统。
• 实现视图（操作系统视图）：关注文件系统底层的实现机制。这包括文件和目录的具体实现方式、存储空间的管理策略、文件在磁盘上的物理位置、与设备驱动的接口以及性能优化等。这是从设计和实现的角度来看待文件系统。

# 文件系统的硬件支持

# 磁盘分区与引导

# MBR 分区方案

物理磁盘以扇区（Sector） 为单位进行寻址，扇区大小由硬件决定，通常为 512 字节。分区（Partition） 是磁盘上一组连续扇区的集合。

• 主引导记录（MBR）：位于磁盘的 0 号扇区，用于引导计算机。MBR 包含引导代码和分区表。
• 分区表：记录了每个分区的起始和结束地址，以及该分区是否可引导的标记。
• 分区限制：一个硬盘最多可以包含 4 个主分区。为了支持更多分区，可以将其中一个主分区设置为扩展分区，并在其内部创建逻辑分区。

# GPT 分区方案

传统的 MBR 分区方案最大只支持 2TB 的磁盘容量。为了支持更大容量的磁盘，引入了 GPT（GUID Partition Table）分区方案。

• 容量：理论上无存储容量限制。
• 分区数量：没有主分区的数量限制。
• 兼容性：为了兼容旧系统，GPT 分区表的前部也包含一个“保护引导（Protective MBR）”。

# PC 系统引导过程

1. PC 开机后，首先执行 BIOS（或 UEFI）。
2. BIOS 选择一个引导设备（如硬盘），读取其 MBR 到内存中，并将控制权交给 MBR 中的引导代码。
3. MBR 的引导代码扫描分区表，找到被标记为可引导的活动分区（Boot Partition）。
4. 引导代码将活动分区的第一个扇区——引导扇区（Boot Sector） 读入内存，并将控制权交给引导扇区中的代码，由后者继续加载操作系统。

# 存储抽象：卷与动态磁盘

为了提高磁盘的读写速度和存储容量，业界发展出了 RAID（独立磁盘冗余阵列）技术。为适应这类技术，现代操作系统将磁盘存储类型分为基本存储和动态存储。

# 基本存储与动态存储

• 基本存储（Basic Storage）：

  • 依赖于传统的 MBR 或 GPT 分区方案。
  • 包含主分区、扩展分区和逻辑驱动器。
  • 调整分区大小通常需要借助第三方工具，且可能导致数据丢失。

• 动态存储（Dynamic Storage）：

  • 不使用传统的分区表，而是将物理磁盘组织成一个或多个卷。
  • 提供了更灵活的磁盘管理功能，可以在不重启系统的情况下调整卷的大小。
  • 解决了基本磁盘扩容不便的局限性，实现了存储空间的动态收缩和扩展。
  • 实现动态存储的关键组件是卷管理器，例如 Windows 中的 LDM（逻辑磁盘管理）和 Linux 中的 LVM（逻辑卷管理）。

# 卷 (Volume)

卷是由一个或多个物理磁盘上的可用空间组成的存储单元。操作系统可以像对待单个物理磁盘一样，使用某种文件系统对卷进行格式化并为其分配盘符或挂载点。

• 简单卷（Simple Volume）：使用单个磁盘上的可用空间，描述了单个分区内的扇区。简单卷可以在同一个磁盘内扩展。
• 多分区卷（Multi-partition Volume）：描述了多个分区中的扇区，文件系统将其作为一个逻辑单元进行管理。常见的类型包括：
  • 跨区卷（Spanned Volume）：将多个物理磁盘的空间连接起来，形成一个更大的卷。
  • 带区卷（Striped Volume, RAID-0）：将数据分块交错存储在多个磁盘上，以提高读写性能。
  • 镜像卷（Mirrored Volume, RAID-1）：将数据完全复制到两个或多个磁盘上，以实现数据冗余。
  • RAID-5 卷：将数据和奇偶校验信息交错存储在多个磁盘上，兼顾性能和冗余。

# Windows 动态存储示例

# Linux 逻辑卷管理 (LVM)

# 文件系统格式

文件系统是在卷（或分区）上创建的。文件系统格式定义了文件数据在卷上的具体存储方式，它直接影响了文件系统的特性。

• FAT 文件系统格式：

  • 核心是文件分配表（File Allocation Table, FAT）。通常有两份 FAT 表互为备份。
  • 文件卷中的每个簇都对应一个 FAT 表项，文件数据块采用链式分配方法。

  

• Unix 类操作系统的文件系统格式：

  • 超级块（Superblock）：包含文件系统的所有关键参数，如块大小、i 节点数量等。
  • 空闲块信息：用于管理未使用的磁盘块，通常使用位图或链表。
  • i 节点（inode）：一个数据结构数组，每个 i 节点对应一个文件或目录，存储了其元数据和数据块指针。

  

# 核心术语

• 簇（Cluster）

  • 文件系统用于管理磁盘空间的可寻址数据块，其大小是扇区大小的整数倍。
  • 较大的簇可以提高 I/O 性能，但可能因内部碎片而浪费更多的磁盘空间。

• 元数据（Metadata）

  • 用于支持文件系统管理而存储在卷上的数据，例如文件和目录的位置、属性、权限等信息。
  • 元数据对应用程序通常是透明且不可直接访问的。

# 文件

# 文件的定义与属性

文件是一种抽象机制，它提供了一种在磁盘上保存信息并方便以后读取的方法，使用户无需关心信息的具体存储方式和位置。

从逻辑上看，文件是一组具有标识符号的、在逻辑上具有完整意义的信息项的集合。这个标识符号就是文件名。

一个文件通常包括两部分：

• 文件体：文件本身所包含的数据信息。
• 文件属性（元数据）：用于描述和管理文件的信息，如文件名、文件内部标识、存储地址、大小、类型、访问权限、创建/修改时间等。

# 文件命名与扩展名

不同的操作系统有不同的文件命名规则，通常涉及以下方面：

• 长度：文件名允许的最大字符数。
• 字符集：允许使用的字符（如数字、特殊符号等）。
• 大小写敏感性：是否区分文件名中的大小写字母。
• 文件扩展名：文件名中用于标识文件类型的后缀。

文件扩展名通常用于提示文件内容。在 Linux/UNIX 中，扩展名只是一种约定；而在 Windows 中，操作系统会为扩展名注册关联的应用程序。

# 文件的逻辑结构

文件的逻辑结构是指从用户角度看到的文件组织形式，它独立于文件在外部存储设备上的物理结构。

常见的逻辑结构有：

• 无结构文件（字节流文件）

  • 文件体由连续的字节序列构成，不划分记录。这是最简单、最灵活的结构。

• 累积文件（Pile File）

  • 文件由一系列无结构的记录组成，记录之间通过特定分隔符划分。新记录总是追加到文件末尾，如日志文件。

• 顺序文件（Sequential File）

  • 文件由一系列大小相同且按某个关键字排序的记录组成。新记录通常先写入临时文件，再定期合并到主文件中。

• 索引顺序文件（Indexed-Sequential File）

  • 在顺序文件的基础上建立索引，以加快检索速度。索引项指向主文件中记录的某个区间。新记录可暂存到溢出文件中。

  

• 索引文件（Indexed File）

  • 文件中的记录大小不必相同，也不必排序。系统为记录的某个（或多个）关键字建立索引，每个索引项直接指向一个记录。这种结构便于随机访问。

• 哈希文件（Hashed File）

  • 记录大小相同，其在文件中的物理位置由一个哈希函数根据记录的关键字计算得出。访问速度快，但可能存在空间浪费。

# 文件类型

文件可以从不同角度进行分类：

• 按性质和用途：系统文件、用户文件、库文件。
• 按信息保存期限：临时文件、永久文件、档案文件。
• 按保护方式：只读文件、读写文件、可执行文件。
• 按逻辑结构：流式文件、记录式文件。
• 按物理结构：顺序（连续）文件、链接文件、索引文件。

在 Linux/UNIX 系统中，文件主要分为三类：

• 普通文件：包含用户信息，如文本文件、二进制程序。
• 目录文件：用于组织和管理文件系统结构的系统文件。
• 特殊文件（设备文件）：将外部设备（如磁盘、终端）抽象为文件，包括字符特殊文件和块特殊文件。

# 文件存取方式

• 顺序存取：从文件头开始，按顺序依次读取字节或记录。
• 随机存取：可以不按顺序，直接访问文件中的任意字节或记录。

# 文件操作

以下以 Linux/UNIX 的系统调用为例，介绍常见的文件操作：

• 创建文件 creat
  • 创建一个空文件或将已有文件截断为空。
  • fd = creat(name, pmode);
• 打开文件 open
  • 打开一个已存在的文件，以便进行读写。
  • fd = open(name, rwmode[, pmode]);
  • rwmode 可指定只读（O_RDONLY）、只写（O_WRONLY）或读写（O_RDWR）。
• 关闭文件 close
  • 关闭一个已打开的文件，释放相关资源。
  • close(fd);
• 读写文件 read/write
  • 从文件读取数据或向文件写入数据。
  • n = read(fd, buffer, size);
  • n = write(fd, buffer, size);
• 定位文件指针 lseek
  • 改变下一次读写操作在文件中的位置。
  • newpos = lseek(fd, offset, origin);
  • origin 可指定从文件头（SEEK_SET）、当前位置（SEEK_CUR）或文件尾（SEEK_END）开始偏移。

# 目录

# 文件控制块 (File Control Block, FCB)

**文件控制块（FCB）**是操作系统为管理文件而设置的核心数据结构，它存放了管理文件所需的所有属性信息，是文件存在的唯一标志。

FCB 的内容通常包括：

• 基本信息：文件名、文件内部标识符（如 i 节点号）。
• 物理位置信息：文件在磁盘上的存储地址。
• 结构信息：文件长度、逻辑结构、物理结构。
• 访问控制信息：文件所有者、访问权限、口令。
• 管理信息：创建/修改/访问日期、共享计数等。

# 目录的定义与实现

• 文件目录：所有文件的 FCB 组织在一起，构成了文件目录。可以说，文件目录是 FCB 的有序集合。
• 目录项：构成文件目录的每个条目。一个目录项可以就是文件的 FCB，或者包含文件名和指向 FCB 的指针。
• 目录文件：为了便于管理和持久化存储，文件目录通常以文件的形式保存在外存上，这种文件被称为目录文件。

# 目录结构

• 一级目录系统：整个文件系统中只有一个目录文件，所有文件都在这个目录中。
  • 缺点：查找效率低、不允许重名、不便于文件共享。
• 两级目录系统：目录分为两级：主文件目录（MFD）和用户文件目录（UFD）。主目录记录用户名及其对应的用户目录位置，每个用户拥有自己的独立目录。
  • 优点：解决了文件重名问题，提高了查找效率。
• 层次目录系统（树状目录）：将目录组织成一棵树形结构。一个目录中可以包含文件，也可以包含子目录。这是现代操作系统普遍采用的结构。
  • 优点：结构清晰，便于文件分类和管理。

# 路径名

在树状目录结构中，需要一种方式来唯一地标识一个文件，这就是路径名。

• 绝对路径名：从根目录开始，直到目标文件或目录所经过的完整路径。
• 相对路径名：从用户指定的当前工作目录开始，到目标文件或目录的路径。

# 目录操作

以下以 Linux/UNIX 的系统调用为例：

• 创建目录 mkdir: int mkdir(const char *path, mode_t mode);
• 删除目录 rmdir: int rmdir(const char *path);
• 打开目录 opendir: DIR *opendir(const char *dirname);
• 关闭目录 closedir: int closedir(DIR *dirp);
• 读取目录项 readdir: struct dirent *readdir(DIR *dirp);
• 创建链接 link: int link(const char *existing, const char *new);
• 删除目录项 unlink: int unlink(const char *path);

# 文件系统的实现

# 文件存储方式

文件存储方式指的是文件在磁盘上的物理结构，主要有以下几种：

# 连续分配

文件数据存放在一组连续的磁盘块（簇）中。目录项中只需记录文件的起始块号和总块数。

• 优点：
  • 实现简单，支持顺序存取和随机存取。
  • 顺序读写速度快，因为所需的磁盘寻道次数最少。
• 缺点：
  • 文件不能动态增长。
  • 容易产生外部碎片，浪费磁盘空间。

# 链接分配

文件的信息存放在若干不连续的磁盘块中，每个块内包含一个指向下一个数据块的指针。目录项中只需记录文件的起始块号。

• 优点：
  • 有效利用磁盘空间，没有外部碎片问题。
  • 文件可以动态增长。
• 缺点：
  • 随机访问性能差，必须从头遍历链表。
  • 指针占用了一部分存储空间。
  • 可靠性较低，指针丢失或损坏会导致文件数据丢失。

# FAT 分配

这是链接分配的一种变体。它将所有数据块的链接指针集中存放在一个独立的**文件分配表（File Allocation Table, FAT）**中，而不是分散在各个数据块里。

• 优点：
  • 兼具链接分配的优点（无外部碎片、动态增长）。
  • 随机访问性能优于简单的链接分配，因为可以先在内存中查找 FAT 表。
• 缺点：
  • FAT 表本身占用一定的磁盘空间。
  • 对于大容量磁盘，FAT 表可能非常大。

# 索引分配

系统为每个文件创建一个名为 **i 节点（inode）**的索引块，该块专门用于存放指向文件数据块的地址指针。目录项中只需包含指向该文件 i 节点的指针。

• 优点：
  • 同时支持高效的顺序存取和随机存取。
  • 文件可以动态增长，且没有外部碎片问题。
• 缺点：
  • 索引块本身会带来额外的存储开销。
  • 对于小文件，索引开销相对较大；对于大文件，可能需要多级索引，增加访问复杂度。

# 目录实现

# 目录项内容

• 简单目录：目录项中直接存放文件的所有属性（即完整的 FCB）。
• 使用 i 节点的目录：目录项中只包含文件名和指向该文件 i 节点的指针。文件的所有其他属性都存储在 i 节点中。这是 Unix/Linux 采用的方式，便于实现硬链接。

# 变长文件名存储

• 行内存储：每个目录项的长度可变，直接包含文件名。
  • 缺点：删除文件后会留下可变长度的空隙，管理复杂。
• 堆中存储：目录项本身具有固定长度，文件名则被放置在目录文件末尾的一个特殊区域（堆）中，目录项通过指针引用它。
  • 优点：目录项删除和复用管理简单。

# 共享文件

# 文件共享机制

在多用户协作的环境中，常常需要让多个用户共享同一个文件。文件共享意味着同一个文件可以出现在不同用户的目录中。

# 硬链接 (Hard Links)

在采用 i 节点的系统中，多个目录项可以直接指向同一个 i 节点。每个这样的目录项就是一个硬链接。

• 实现：i 节点中维护一个“链接计数”，记录有多少个目录项指向它。
• 删除：删除文件时，仅删除对应的目录项并将 i 节点的链接计数减 1。只有当链接计数变为 0 时，系统才会真正删除 i 节点并释放其占用的数据块。
• 问题：如果用户 C 删除了文件，系统需要判断是否还有其他用户（如 B）在引用它，避免误删数据或产生悬空指针。链接计数机制解决了这个问题。

# 符号链接 (Symbolic Links)

符号链接（或软链接）是创建一个特殊类型的文件（LINK），其内容是它所链接的文件的路径名。

• 实现：当系统访问符号链接时，它会读取其中的路径名，然后转而访问该路径对应的文件。
• 优点：可以跨越不同的文件系统，也可以链接到目录。
• 缺点：存在额外的访问开销（需要解析路径）。如果原始文件被删除，符号链接将失效，成为一个“悬空链接”。

# 磁盘空间管理

# 簇（Cluster）的选择

簇是文件系统分配磁盘空间的最小单位。簇大小的选择是一个权衡过程：

• 大簇：
  • 优点：提高 I/O 性能（单次 I/O 读取更多数据），减小管理开销（如 FAT 表的大小）。
  • 缺点：内部碎片问题严重。即使文件很小，也必须占用一整个大簇，造成空间浪费。
• 小簇：
  • 优点：空间利用率高，内部碎片少。
  • 缺点：管理开销大（需要更多的簇编号），可能导致 I/O 性能下降。

文件卷容量与簇大小的关系：

• 如果簇的总数（即簇编号位数）固定，那么文件卷容量越大，簇就必须越大，导致浪费增多。
• 如果簇的大小固定，那么文件卷容量越大，需要的簇总数就越多，可能导致簇编号空间不足（例如 FAT16 的限制）。

# 空闲空间管理

文件系统必须跟踪哪些磁盘块是空闲的，以便为新文件分配空间。主要方法有两种：

# 空闲块位图

使用一个位图（Bitmap），其中每一位对应一个磁盘块。若位为 1，表示对应块已分配；若为 0，表示空闲。

# 空闲块链表

将所有空闲的磁盘块链接成一个链表。文件系统只需保存链表的头指针。

# 文件系统的可靠性

文件系统的可靠性指其抵抗和预防各种物理及人为破坏的能力。数据丢失的代价远高于硬件损坏，因此可靠性至关重要。

# 数据备份与恢复

文件备份主要用于从意外灾难（如磁盘损坏）或错误操作（如误删文件）中恢复数据。备份通常是将磁盘文件转储到磁带等离线介质上。

# 物理转储

从磁盘的第一个块开始，按顺序将所有磁盘块的内容完整地复制到磁带上。

• 优点：实现简单，速度快。
• 缺点：无法跳过未使用空间，无法恢复单个文件，难以实现增量备份。

# 逻辑转储

从指定的目录开始，递归地转储自上次备份以来发生更改的文件和目录。

• 优点：备份内容更紧凑，支持增量备份，可以灵活地恢复单个文件或目录。
• 缺点：实现相对复杂。

# 文件系统一致性

文件的修改操作（读-改-写）并非原子操作。如果在所有修改过的数据块被写回磁盘之前系统崩溃，文件系统就可能处于不一致状态（例如，一个块既在文件中被引用，又在空闲列表中）。

文件系统一致性检查工具（如 fsck 或 chkdsk）用于检测和修复这些问题。

# 块的一致性检查

通过扫描所有 i 节点和空闲空间管理结构，为每个磁盘块建立两个计数器：一个记录它在文件中被引用的次数，另一个记录它在空闲列表中出现的次数。

• 块丢失：两个计数器都为 0。
  • 解决方法：将该块添加到空闲列表中。
    
• 空闲表中有重复块：在空闲列表中的计数大于 1。
  • 解决方法：重建空闲列表。
    
• 重复数据块：在文件中被引用的计数大于 1。
  • 解决方法：分配一个新块，复制数据，并将其分配给其中一个文件，同时报告错误。
    

# 文件的一致性检查

通过扫描整个目录树，为每个文件（i 节点）建立一个引用计数，记录它在目录中出现的次数。然后将这个计数值与 i 节点中存储的链接计数值进行比较。

• i 节点的链接数 > 目录项数：
  • 问题：可能存在文件数据块已分配，但没有任何目录指向它（“丢失的文件”）。
  • 解决方法：将 i 节点中的链接数修正为正确的计数值（若为 0 则释放该文件）。
• i 节点的链接数 < 目录项数：
  • 问题：可能多个目录项指向同一个 i 节点，但 i 节点中的链接数未能正确反映此情况，这可能导致文件被过早删除。
  • 解决方法：将 i 节点中的链接数修正为正确的计数值。