操作系统之文件管理

在学的时候，包括复习的时候，一直认为这是最不重要的一部分

但是，很意外，现在我觉得它是最有魅力的一部分。

本文仅针对考研408，八股文的一些漫谈，碎碎念，札记，和一些思考的角度，远谈不上探源操作系统

参考文献：《操作系统》——精髓与设计原理，王道考研系列

操作系统负责管理计算机资源，操作系统的如何实现管理，在于数据结构和对数据结构的操作

思考角度1:数据结构是对资源的抽象，对资源的管理就是对数据结构的管理

文件系统提供了外存（与辅助存储相关的资源）的抽象

我们需要完成对这种资源的抽象与管理

• 抽象： 文件

• 管理：

  • 外层封针对用户：
    • 创建/删除
    • 打开/关闭
    • 读/写
  • 底层管理针对系统：数据结构 + 操作

文件管理系统

在计算机组成原理——存储体系部分，我们采用多级存储结构解决了以下问题

1. Cache解决了CPU与主存速度不匹配的矛盾
2. 辅助存储器解决了主存容量不足和高成本的问题

思考角度2:主存（内存）和辅存（外存）

在内存管理部分，程序（进程）是在内存里的。也主要是内存问题。外存基本没有涉及。

而文件管理部分，则需要查找（这一过程主要在内存中），对磁盘管理（这一过程主要在外存中），因此看起来文件好像有两部分。

集合中元素：对单个文件的管理

由底层到高层：粒度不断变细

用户看到的是文件，关于特点都是针对文件内的记录而言

• 堆

• 顺序文件：批处理，批处理，批处理（这点感觉王道讲的有些含糊）

• 索引顺序文件：分组 组内顺序

• 索引文件：摒弃顺序性和关键字，直接对对记录进行索引

• 直接或散列文件：直接访问到地址已知的快，需要关键域

• 关于其实现的数据结构和对数据结构的操作

  想说B树 和对 B树的操作，详见数据结构部分

访问方式 决定 逻辑结构

• 文件作为整体处理，顺序文件组织是最简单合适的
• 典型：CD-ROM中文件永远不会被修改，而且仅以批处理方式处理，每次访问所有记录，不需要检索，因此，顺序文件组织是最合适的。
• 对单个文件的顺序访问和随机访问，索引顺序文件合适（分组索引，组内顺序）
• 随机访问，索引文件或散列文件最合适

文件集合：文件之间的管理（目录管理）

表征着集合，表征文件集合，而不是具体的文件，注意与索引结点的对比

思考角度3:资源本身与资源集合，资源内部维护与资源集合维护

数据结构：文件控制块（FCB，目录项）

FCB的有序集合是文件目录

数据结构：目录项

辅助存储管理

对于磁盘空间的管理

• 文件的分配
• 空闲空间的管理

文件的分配

考虑的是外存空间的分配

对于文件

（可以参考内存分配）

最朴素原始的方式就是直接连续分配，（分配方式可直接参考内存分配部分：首次适配，最佳适配，最近适配）后来改进，

按照基本单位，内存分配中基本单位是页，外存分配中基本单位是块

考虑的核心问题是I/O性能

• 连续：局部性原理最好
• 链接：缺少了局部性原理 （因为内存中速度快，可以理解为可以随机访问，首先考虑的命中率，在计算机组成原理中，我们知道内存相对外存快，但是小，外存相对内存大，但是速度慢。所以外存I/O需要考虑局部性）
• 索引：是连续和链接的折衷，是最普遍的一种文件分配方式。支持顺序访问文件和直接访问文件

空闲空间的分配

思考角度4:什么是应该放在内存中的，什么是应该放在外存中的。

放在内存中的数据/数据结构需要满足什么条件

内存中的数据结构，是否足够小，和较高的命中率

数据结构是什么，是对哪一种资源的抽象，

很显然，磁盘分配表，是对磁盘这种物理资源是否可用的一种抽象

Ps: 思考角度1:数据结构是对资源的抽象，对资源的管理就是对数据结构的管理

数据结构：

• 磁盘分配表（Disk Allocation Table,DAT) 对比 文件分配表（File Allocation Table FAT）
• 位表（位表是在内存中的）

……

思考:在内存分配中，程序分配和空闲内存的分配用同一套体系就实现管理，为什么在文件这里要单独分开呢？

文件对象

代表需要读入的文件

关于文件读取的模型。考点。

我们读取文件并不是直接把文件读到内存中，而是建立一个文件对象。

直观理解，10多个G的电影，内存只有8个G的电脑还是能开，很显然，它不是一下子全读入内存。

想想电影这种东西是不会修改的，一般读也是看完，假定，大多数一口气看完，也不会索引，跳到精彩部分不算？好像挺适合顺序文件。（批处理方式）

open()创建文件对象，close()销毁文件对象。

• 与文件关联的目录项对象（2014统考题，文件首次打开，需要先将文件控制块读入内存）

• 文件对象的使用计数（2020年统考题，一个进程关闭，不可以删除系统打开表项）

• 文件指针，还是以看电影为例子。我们不是停在某一帧不动了，而是不断读，而看过的可以理解为没有用，暂时可以释放。（2020，每个用户打开文件表中关于文件的表项内容不同）

之后可以read(),write(),release(),lock()都是建立在文件对象上的（2013统考题，read系统调用不需要文件名称）

超级块对象

描述特定文件系统的信息

索引结点

代表外存中的文件

数据结构包含着一个特定文件中所有描述信息

索引结点数量决定文件数量

​ create(),lookup(),mkdir()