操作系统总结之文件系统接口

文件在用户看来是再熟悉不过的名字了。因为能够创建文件，把一些数据放在文件中。

文件系统包含了文件和目录。

目录用以组织文件，包含了文件的简要信息。放在外存。

在计算机中有许多不同的介质，而计算机把这些抽象成一个统一的逻辑单元，再映射到物理设备。

文件有很多不同的类型，比如：

1.文本文件：由行组成的文件。

2.二进制文件。

3.源文件。由子程序和函数构成。

一个文件有自己的属性：

1.文件名，identifier，类型，位置，大小，保护，时间。即最近访问时间，最近修改时间，文件创建时间。

这些文件属性都放在目录中。

文件有许多操作，比如创建，删除，重定位，读，写。

创建文件需要找到一个空的空间，在目录中创建一个条目，指向文件。

读：系统调用，控制读指针。

写：系统调用，控制写指针。

重定位：首先声明一点，读和写的指针是共用的，因此只需要把这个指针移动即可。

删除：释放文件空间并在目录中删除条目。

每次执行一个操作都要遍历目录，找到文件，但是这样速度很慢，因为目录在外存。

我们要对一个文件进行操作必须要显式地打开文件。

在操作系统中维护了一个open-file table,记录了打开的文件，以后每次操作，只需要索引这个表即可。

但是对于多进程，可能同时打开一个文件，因此操作系统维护了两级的表：一个进程单独一个表，操作系统维护一个系统表。

单个进程的表条目指向系统表。

对于多进程访问一个文件时，需要在文件表中置一个计数器，等到计数器为0时再删除条目。

当然对于多进程同时访问，可以用锁来解决同步问题。

专用锁：类似写者锁。一个进程访问一个文件，其他进程就不能访问。

共享锁：类似于读者锁。多进程可同时访问。

文件类型：

操作系统预先必须要声明支持哪些文件类型。

Windows通过加扩展名来声明类型。

Unix通过幻数在文件头部加声明类型。

每个文件类型都有自己特有的结构，因此如果操作系统支持文件类型过多，就会出现操作系统过于庞大。

磁盘的最小单元是块，因此一个块中可以放多个逻辑记录。一个文件由多个块组成。但是一个块可能会没放满，所以会出现内部碎片。

访问文件信息的第一步必须将他所在的块读入内存。

接下来就是不同的访问方法。

1.顺序访问

一条一条访问。

2.直接访问

因为文件的一条记录是固定长度的，因此可以利用公式快速计算出所要找的那个记录的位置。

相对块号：相对于文件的块号。即文件的第一个块为0.

对于目录，我们也要利用数据结构，这样就可以快速索引。

一个磁盘可能有多个文件系统。一个卷有相关信息。记录大小，名称等。

对于目录，我们如果要找到文件，必须要通过目录，如果create一个文件，就必须在目录中添加一个条目。

为了更好更快地访问文件，我们对于目录进行一些构造。

1.单层目录。

只能一个用户，并且每个目录的名字必须唯一。

2.双层目录。

第一层是MFD。一个record是一个用户。

一个用户对应一个单层目录。UFD。

缺点：不能多用户共享或多目录共享文件。

对于系统文件，我们需要定义一个特殊的用户目录。他包括所有系统文件，这个目录在其他目录都找不到的情况下会自动遍历。

3.树状目录。

禁止共享文件或目录。

就是树状的目录结构，内部有子目录和文件。通过一位来表示是目录还是文件。

对于删除目录，有两种解决方法：

1.如果这个目录有子目录或文件，则不能删。

2.Unix。删除目录的子目录和文件。

 

4.无环图目录。

允许共享。

实现共享的方法：

1.链接。一个指针指向一个文件。

2.复制目录条目。像其他目录条目一样。但是要维护一致性。

对于删除，也会出现问题。解决方案：

1.删除链接时，则不变，删除文件条目，则链接无效。

2.删除全部引用才删除。为每个文件建立一个引用计数器或文件引用表，当引用为空，则删除文件。

MS-DOS采用树状目录结构。

 

5.通用图目录。

可以存在环，会无限遍历。

解决方法：通过记录目录被访问次数来强制终止。

删除文件时，由于存在环而等不到引用计数为0，因此通过垃圾收集解决引用技术问题。

总结：为了避免过大开销，避免链接。

文件系统在使用前必须要mount，安装时要指明安装位置即安装点。然后操作系统要验证文件系统安装的有效性。再是如果mount在一个目录下，原来在这个目录下的子目录的文件就不能使用了。必须要将unmount新的文件系统才行。在pintos中，我一开始把虚拟机和windows的共享数据空间在Desktop，发现原来的Desktop的东西打不开了。。。慌了我半天。。

文件共享的三种实现方式：

1.人工传输。

2.远程登录。

3.浏览器。

对于文件共享，每个文件系统都有不同的语义，现在不只是多用户本地共享，也会有远程文件系统的共享。

对于多用户的文件共享问题，我们需要明确每个用户的文件访问权限。

拥有者需要有最高的权限。

组需要有权限的子集。

拥有者ID和组ID 保存在文件属性中。每次对文件进行操作都要比对。

1.在unix中，对于一个用户进行写操作，其他用户都会看到。

2.AFS中，对于一个用户写操作，以打开的用户不能看到其变化，只有等到写操作的用户关闭后再打开的用户才能看到变化。

3.一个文件只要被共享，就不能被修改。

计算机可能会遇到两个不安全问题：

1.物理损坏问题。通过备份解决。

2.访问。 通过访问控制解决。

对于一个文件，只要允许访问，就必定存在保护的问题，我们需要通过控制访问即控制用户的操作权限。

基本的操作在前面也讲过，比如读，写，执行，删除，添加，列出列表。对于高层的操作，比如复制，就可以用读来写出。让我想到了数据库。关系代数表达式的基本操作~选择，投影，并，笛卡儿积，差，重命名。其他高层的一些操作比如交，除，都可以用基本操作替代。

对于访问控制的最容易想到的解决方法是给每个文件加上一张表，称为访问控制表ACL。列出能够访问的用户名。但是这个方法的直观缺点就是长度问题。

解决方案就是精简访问列表：

1.拥有者：最高等级。

2.组：需要某种类似访问组成的组。

3.其他。

注:本人正在学操作系统，发现此篇博客是原创者对《操作系统概念》书中的一些总结，结合书本看效率更高。