读书笔记-现代操作系统-4文件系统-4.4文件系统管理和优化

4.4 文件系统管理和优化

4.4.1 磁盘空间管理

几乎所有的文件系统都是把文件分割成固定大小的块来储存的（各块之间不一定相邻）

块大小

通常需要在空间利用率和磁盘数据率之间提供一定平衡，通常用4KB。

记录空闲块。

磁盘块链表，每个块包含尽可能多的空闲磁盘块号。如果空闲区域连续的话可以考虑添加空闲块的数量。

位图，但是不常用，只有在磁盘接近满的情况下才比较划算。

还有一个问题需要考虑的是如果保存一个快满的指针块，可能会在一系列短期临时的增删操作中占用大量的磁盘空间，解决方案是存入已满的空闲块，取出半满的空闲块。

磁盘配额

为了防止用户过度占用，需要系统管理员为每个用户分配最大的块和文件的最大数量等。

4.4.2 文件系统备份

从意外的灾难中恢复

从错误的操作中恢复

不需要备份所有文件，通常只是部分目录的文件

对前一次备份的没有更改的文件不需要备份，增量转储的概念

是否需要压缩是一个慎重考虑的问题。压缩可以降低数据量，但是如果出错难以恢复。

对活动文件系统做备份需要考虑一致性

非技术性

两种方案：

物理转储

从磁盘第0块开始备份到最后一个块。

对于未使用的磁盘块无需备份

对于坏块的转储需要考虑

优点是快速简单，缺点是没办法跳过指定目录，无法增量转储，无法恢复个人文件的请求

逻辑转储

从一个或几个指定的目录开始，递归的转储其自给定基准日期后有更改的所有文件和目录。

需要提醒的是，对于修改文件的所有父目录也都需要转储，原因是：

为了将转储文件和目录恢复到另一台计算机的新文件系统中，这样转储文件就可以在计算机之间进行整体转义

为了可以对单个文件进行增量恢复。

逻辑转储具体算法：

从根目录开始检查所有的目录项

遍历所有目录，并去掉目录树中任何不包括被修改过的文件或目录的目录上的标记

以节点号为序，扫描这些i节点并转储所有的标记的目录

被标记的文件也被转储，由其文件属性作为前缀。

恢复步骤：

恢复到最近的一次的完整转储

由前到后的进行增量转储

其他问题：

空闲块列表并不是文件，需要在转储完成后自行构建

对于连接应该恢复一次文件

对于很多文件包含的空洞，不需要用0去一一填充。

无论是哪个目录，特殊文件、命名管道及类似的文件不该转储。

4.4.3 文件系统的一致性

所有文件系统检验程序可以独立地检验每个文件系统的（磁盘分区的一致性）

一致性检测分两种：块的一致性和文件的一致性

块的一致性

程序构造两张表，每张表为每个块设立一个记录器，都初始化为0。第一个表中的计数器跟踪该块在文件中的出现次数，第二个表中的计数器跟踪该块的空闲表中出现的次数。

通常来说分为4中情况：

两个表互补——一致性通过

空闲表的块少——块丢失，文件系统检验程序把它们加到空闲表中即可

空闲表的块多——重新建立空闲表

使用表的块多——需要包括用户，由用户检测文件受损情况。

目录检测

文件可能存在硬连接，遇到符号文件时不计数的。不会对目标文件的计数器加1。

如果i节点中的连接计数大于目录项格式，可以把连接计数设成正确值

另一种错误是文件系统标识该i节点为未使用，并释放其全部块，会使其中一个目录指向一未使用的i节点，而很可能其块马上就被分配给其他文件。解决办法同样是把i节点中的连接计数设为目录项的实际个数。

目录检测通常和块检测放在一起。

4.4.4 文件系统性能

高速缓存

块高速缓存（block cache）或者缓冲区高速缓存（buffer cache）,逻辑上属于块，但是基于性能考虑储存在内存中。

查找块是否存在，常用方法是将设备和磁盘地址进行删了操作，然后在散列表中查找结果。

如果高速缓存已满需要调入新的块，因此需要把原先的一部分块写入到硬盘中，与分页的情况类似所有算法均可行，与分页相比，高速缓存的好处在于对高速缓存的引用不用很频繁，所有按精确的LRU顺序存储在链表中是可行的。

除了散列表中的冲突链之外，还有一个双向链表把所有的块安装使用的时间先后链接起来，近来使用最少的块在最前面，使用最多的表在队尾。这样可以维护一个准确的LRU链表。

如果一个关键块读进了高速缓存并做过修改，但是没有写回磁盘。这是系统崩溃会导致文件系统的不一致。如果把i节点放在LRU链尾，如果等他到达链首，并写入磁盘需要相当长的时间。

另一个问题是有些块会在短时间内引用两次。

基于以上的两个问题在设计LRU时，需要注意两点：

这一块是否不久后会再次使用？

这一块是否关系到文件系统的一致性？

基于以上的两个问题，可以将块分为i节点块、间接快、目录块、满数据块、部分数据块。

对于部分数据块属于正在写入的块需要放在链尾。

对于关系一致性的问题需要尽快写入磁盘，对于满数据块需要尽快写入磁盘。

通常来说系统调用会有一个sync调用，它强制性地把全部修改过的块立即写回磁盘。两次调用之间休眠30s。UNIX采用的方案。Windows是在每次块有变动就写回磁盘，称为通用高速缓存。这样会占用更多的IO但是不会导致工作内容丢失。

块提前读

在需要用到块之前，试图提取将其写入高速缓存，从而提高命中率。

通常系统会跟踪读取文件的方式，如果是顺序读取则进行预读，但是对于随机访问则会降低效率。

减少磁盘臂运动

把顺序存取的快放在一起，当然最好实在同一个柱面上，从而减少磁盘臂的移动次数。