建议收藏！操作系统基础：文件系统实现【上】

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🔥 系列专栏：OS从基础到进阶

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⚔️1 文件系统的层次结构

🔧1.1 总览

🔧1.2 例子

⚔️2 文件系统的全局结构

🏹2.1 物理格式化（低级格式化）

磁盘在物理格式化后被划分出许多扇区，同时也可能包含坏扇区，磁盘会用备用扇区替代坏扇区，如图。

当操作系统访问到坏扇区时，磁盘会将实际访问的扇区替换成备用扇区，因此坏扇区对于操作系统来说是透明的

🏹2.2 逻辑格式化（高级格式化）

每个分区对应的信息使用分区表来记录

对于UNIX系统来说，磁盘在逻辑格式化后，其内部结构会如图所示

（1）引导块：类似于Windows下的BIOS，负责开机时初始化系统
（2）超级块：操作系统可以通过此块快速找到空闲的磁盘地址
（3）空闲空间管理：里面存储了与空间管理相关的数据结构（比如位视图）
（4）i结点区：里面存储了各文件的索引结点，结点连续存放。索引节点的大小都是相同的，因此可以迅速定位到任何一个索引结点
（5）根目录：任何文件的存储都必须在根目录下
（6）其他文件：在格式化后为空

🏹2.3 文件系统在内存当中的结构

⚗️2.3.1 结构示意图

⚗️2.3.2 外存

存放文件以及文件目录

⚗️2.3.3 内核区

（1）目录缓存
操作系统会将近期访问过的文件目录复制一份放在内核区中，这样当需要再次访问时就不需要再次去外存中寻找了，可以提高访问速度。
（2）系统打开文件表与用户打开文件表
参考之前的笔记

⚗️2.3.4 用户区

（1）文件描述符/文件句柄
当我们打开一个文件时，操作系统会放回一个句柄（类似于指针），方便我们对文件进行操控（联想C语言的文件操作）
Fp = file.open(“./test.txt”)

⚔️3 虚拟文件系统与文件挂载

🦯3.1 普通的文件系统

不同的文件介质，他们提供的文件调用接口可能不一样，如图所示。所以程序员在对文件进行操作时，还需要考虑文件存储在什么地方，这显然非常不方便。

🦯3.2 虚拟文件系统

📡3.2.1 什么是虚拟文件系统

为了解决普通文件系统的缺点，操作系统引入虚拟文件系统，如图所示。它提供了标准的接口，程序员在进行文件调用时只需要使用同一个标准函数，而这些函数具体到不同文件系统中的实现就有虚拟文件系统来完成。

📡3.2.2 虚拟文件系统的特点

（1）提供标准接口

（2）标准函数具体到不同文件系统中的实现是由虚拟文件系统提供的，因此必须确保文件系统有虚拟文件系统提供给的功能。因此：

（3）不同文件系统中对于文件的表示可能也不一样，FAT文件系统、UFS文件系统的表示方式分别如图。

因此，虚拟文件在打开一个文件后，都会创建一个同一的VNode结构，里面存放了各种要求的信息，如图。注意：VNode只在主存中存在。

这是虚拟文件系统的第三个特点：

注意到VNode中有一个函数功能指针，这相当于是C语言文件操作中和fopen(“test.txt”)时放回的文件对象。方便程序员对文件进行各种操作。

🦯3.3 文件系统挂载

📡3.3.1 解释

📡3.3.2 文件系统挂载要做的事情

⚔️4 文件存储空间管理

🧪4.1 总览

探讨的对象：空闲的存储空间

🧪4.2 存储空间的划分和初始化

4.2.1 文件卷

在系统初始化的过程中，需要将存储空间划分为C盘、D盘。这些就是文件卷（逻辑盘、逻辑卷）。

4.2.2 目录区与文件区

每个文件卷都会被进一步划分为目录区与文件区。其中：
目录区:

文件区：

4.2.3 注意

一个文件卷是可以由多个物理磁盘组成的

🧪4.3 存储空间管理方法——空闲表法

🔭4.3.1 基本概念

使用一张表记录空闲的存储空间。它一般适用于连续分配方式。

🔭4.3.2 例子

那么此时系统内的空闲表的内容为：

🔭4.3.3 分配空间的方法

（1）首次适应
系统从空闲表的初始点开始寻找，找到第一个可以满足要求的空闲表项，分配空间并修改空闲表

（2）最佳适应
找到一个可以满足要求、且空闲盘块数最小的空闲表项。

（3）最坏适应
找到一个可以满足要求、且空闲盘块数最大的空闲表项。

🔭4.3.4 回收空间的方法

总体与内存管理中的动态分配类似。
（1）回收区的前后都没有相邻空闲区
新增空闲表项

（2）回收区的前后都是空闲区
合并空闲表项

（3）回收区前面是空闲区
修改前面的空闲表项

（4）回收区的后面是空闲区
修改后面的空闲表项

🧪4.4 存储空间管理方法——空闲链表法

🔭4.4.1 分类

空闲盘块链：

空闲盘区链：

🔭4.4.2 空闲盘块链

操作系统需要保存盘块链的链头指针和链尾指针
（1）分配存储空间

（2）回收存储空间

（3）注意

在分配的时候要从链头一个一个摘下磁盘块，所以为文件分配盘块可能重复多次操作

🔭4.4.3 空闲盘区链

（1）分配存储空间

（2）回收存储空间

（3）注意

因为它可以一次为文件分配许多空间，不像空闲盘块链一次只可以分配一个块。

🧪4.5 存储空间管理——位示图法

🔭4.5.1 基本概念

使用一个二进制位表示一个盘块，为1时代表有数据，为0时代表空闲。

🔭4.5.2 注意

①一般来说为了方便管理，位视图一般采用连续的字来表示。比如一台主机的字长为16，则16个盘块的位视图被存储在一个字内。如图所示。

②由盘块号推出（字号、位号）
注意起始位置是从0开始还是从1开始

③由（字号、位号）推出盘块号

🔭4.5.3 分配存储空间

🔭4.5.4 回收存储空间

🧪4.6 存储空间管理方法——成组链接法

UNIX系统采用的方法，适合大型系统

🧪4.7 总结

⚔️5 总结

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