作業系統學習筆記：檔案系統接口

計算機裝置之間差異很大，是以作業系統需要提供一組功能以便于應用程式控制這些裝置。作業系統的IO子系統的重要目的之一是為系統其它部分提供最簡單的接口。檔案接口是接口之一。

一、檔案概念

1、檔案屬性

名稱、辨別符（檔案系統内檔案的唯一标簽）、類型、位置（指向裝置和裝置上檔案位置的指針）、大小、保護、時間

2、檔案操作

1）建立。有兩個必要步驟：第一必須在檔案系統中為檔案找到空間，第二在目錄中為新檔案建立一個條目

2）寫

系統要為該檔案維護一個寫位置的指針。每當有寫操作必須更新寫指針。

3）讀

為了讀檔案，使用一個系統調用，并指明檔案名稱和要讀入檔案塊的記憶體位置。系統為該檔案維護一個讀位置指針。讀和寫使用同一指針。

4）檔案内重定位

設定目前檔案位置指針（讀寫指針）為給定值。不需要真正的IO，又稱為檔案尋址。

5）删除

6）截斷

以上是檔案的6個基本操作。

為提高性能，絕大多數OS要求使用檔案的時候，顯式打開。OS會維護一個全局的打開檔案表，以滿足各種檔案操作需要用到的搜尋、定位需求。每個打開檔案還有一個檔案計數器，以記錄多少程序打開了該檔案。總的來說，打開檔案有：

檔案指針，檔案打開計數器，檔案磁盤位置，通路權限

3、檔案類型

實作檔案類型的常用技術是在檔案名稱内包含類型，比如采用名稱 + 擴充名的方式，後者像UNIX，采用幻數（magic number）,儲存在檔案的開始部分，但這些都不是必須的。真正确定檔案類型，或是否要使用該檔案，由應用程式開發者決定。檔案擴充名并非由作業系統所支援，隻用于給操作它們的應用程式以提示。

不過，像Mac OS X，每個檔案都有類型，建立時強制其建立者為相應的應用程式。

作業系統是否支援檔案類型是一件很糾結的事情。支援的檔案類型太少，會很不友善；太多又會讓作業系統過大。

4、檔案結構

磁盤系統通常具有明确的塊大小，而邏輯記錄則長度可變。常用解決辦法是先将若幹邏輯記錄打包，再放入實體記錄。檔案可當做一系列塊的組合。檔案最後一塊通常會有浪費，塊越大，内部碎片就越大。

二、通路方法

1、順序通路（錄音帶模型）

讀操作自動前移檔案指針，寫操作在檔案尾部增加内容，檔案指針移到新增資料後。當然指針也可重置到開始位置，或者向前向後跳過N個記錄。

順序通路适用于順序通路裝置，也适用于随機通路裝置。

2、直接通路（磁盤模型）

檔案由固定長度的邏輯記錄組成，按任意順序進行快速讀和寫。

操作之時，塊号作為參數傳入，可以迅速定位。通常，這個由使用者向作業系統提供的塊号是相對塊号，相對于檔案開始的索引。檔案系統由這個塊号做一定的運算，比如哈希運算，得到絕對塊号。

對支援直接通路的檔案，當然也很容易實作順序通路。

3、其他通路方式

其他通路方式可建立在直接通路方式之上，這些通路通常涉及建立檔案索引。索引包括各塊的指針。查找檔案中的記錄，首先搜尋索引，再根據指針直接通路檔案。

對于大檔案，索引會分級。

三、目錄結構

同一個作業系統可以存在若幹個檔案系統。這好了解，像我們的電腦中，一個盤是FAT32，另一個盤可能是NTFS。

1、存儲結構

卷：硬碟上的存儲區域。驅動器使用一種檔案系統（如 FAT 或 NTFS）格式化卷，并給它指派一個驅動器号。單擊“Windows 資料總管”或“我的電腦”中相應的圖示可以檢視驅動器的内容。一個硬碟包括好多卷，一卷也可以跨越許多磁盤

2、目錄概述

目錄可看做符号表，能将檔案名稱轉換成目錄條目。目錄有多種操作：

搜尋檔案、建立檔案、删除檔案、周遊目錄、重命名檔案、跟蹤檔案系統。所謂跟蹤檔案是指掌握整個檔案系統的細節，有哪些目錄和檔案，使用情況如何，等等。

3、單層結構目錄

所有檔案都在同一目錄中，濟濟一堂，熱鬧。便于了解和支援。但多使用者時，會有嚴格限制。比如檔案名唯一問題。

4、雙層結構目錄

每個使用者都有自己的使用者檔案目錄。每個使用者的檔案目錄結構都一樣。當使用者引用特定檔案時，隻需搜尋他自己的目錄。再也不用擔心自己的檔案名與其他使用者的重名了。

這種結構，如果使用者完全獨立是優點，但如果之間需要合作互動就是缺點。這種情況下，檔案路徑需要帶上使用者名（感覺類似資料庫裡面的schema）。檔案系統中的不同分區可看成是不同的使用者。

有一個特例是系統檔案。系統檔案作為公用，如果隻能在使用者自己檔案目錄内搜尋的話，那麼每個使用者目錄都應該有一份，太浪費。解決辦法是定義一個特殊使用者目錄，所有系統檔案置于其中。當需要搜尋時，先搜使用者檔案夾，找不到就搜這個特殊目錄。

5、樹狀結構目錄

二層結構擴充而來。允許使用者建立自己的子目錄。

6、無環圖目錄

樹狀結構目錄擴充。允許共享目錄和檔案，即同一檔案可分屬多個不同的目錄。

UNIX中，共享目錄或檔案處理為連結。

7.通用圖目錄

無環圖目錄有時容易出現環，比如連結中，出現了自我引用的情況。存在環可能會導緻周遊目錄時死循環。應避免出現環，或者出現之後要消除，比如增加垃圾回收，消除哪些沒有引用或自引用的連結。或者改變周遊算法，周遊目錄時避開連結。

四、檔案系統安裝

檔案系統要正确使用，必須安裝

五、檔案共享

1、多使用者

2、遠端檔案系統

NFS：網絡檔案系統

DFS：分布式檔案系統

1）客戶機-伺服器模型

2）分布式資訊系統

為了便于管理客戶機-伺服器服務，提供用于遠端計算所需資訊的統一通路

3）故障模式

遠端檔案系統很容易出現各種故障，比如掉線等。當故障出現時，客戶機系統并不将此作為本地檔案系統故障那樣進行處理，但會終止對故障伺服器的所有操作，或者等候直至伺服器再次可用。這種故障語義由遠端檔案系統協定所定義和實作。通常，終止操作代價較大，絕大多數分布式檔案系統在故障出現時，選擇等候。

那麼故障恢複時，客戶機和伺服器之間可能需要一定的狀态資訊。NFS采用了一種簡單的方法實作了無狀态的DFS，但它不夠安全。

3、一緻性語義

多使用者操作情況下，如何保持檔案一緻性。

1)UNIX語義

使用者的寫操作，可以被其他所見

允許使用者共享檔案指針位置，移動檔案指針會影響其他使用者

采用UNIX語義，一個檔案與單個實體映射關聯，互斥通路。

2）會話語義

使用者寫操作不能立即被打開同一檔案的其他使用者所見

檔案關閉後，修改隻能被新打開的會話所見，已經打開的使用者看不到

采用這種語義，一個檔案可以對多個實體映射進行關聯，并發性很好。

3）不可修改共享檔案語義

既然是共享檔案，就不能修改，隻讀。

在分布式系統中實作這種語義最簡單。

六、保護

檔案的保護包括可靠性保護和防止非法通路。可靠性通常由檔案備份提供；這裡說的保護是指防止非法通路。

1、通路類型

通過限制可進行的檔案通路類型，比如說：

讀、寫、執行、添加、删除、清單清單