5万字、97 张图总结操作系统核心知识点 (20)

由于连续分配和链表分配都有其不可忽视的缺点。所以提出了使用内存中的表来解决分配问题。取出每个磁盘块的指针字,把它们放在内存的一个表中,就可以解决上述链表的两个不足之处。下面是一个例子

5万字、97 张图总结操作系统核心知识点

上图表示了链表形成的磁盘块的内容。这两个图中都有两个文件,文件 A 依次使用了磁盘块地址 4、7、 2、 10、 12,文件 B 使用了6、3、11 和 14。也就是说,文件 A 从地址 4 处开始,顺着链表走就能找到文件 A 的全部磁盘块。同样,从第 6 块开始,顺着链走到最后,也能够找到文件 B 的全部磁盘块。你会发现,这两个链表都以不属于有效磁盘编号的特殊标记(-1)结束。内存中的这种表格称为 文件分配表(File Application Table,FAT)。

目录的实现

文件只有打开后才能够被读取。在文件打开后,操作系统会使用用户提供的路径名来定位磁盘中的目录。目录项提供了查找文件磁盘块所需要的信息。根据系统的不同,提供的信息也不同,可能提供的信息是整个文件的磁盘地址,或者是第一个块的数量(两个链表方案)或 inode的数量。不过不管用那种情况,目录系统的主要功能就是 将文件的 ASCII 码的名称映射到定位数据所需的信息上

共享文件

当多个用户在同一个项目中工作时,他们通常需要共享文件。如果这个共享文件同时出现在多个用户目录下,那么他们协同工作起来就很方便。下面的这张图我们在上面提到过,但是有一个更改的地方,就是 C 的一个文件也出现在了 B 的目录下

5万字、97 张图总结操作系统核心知识点

如果按照如上图的这种组织方式而言,那么 B 的目录与该共享文件的联系称为 链接(link)。那么文件系统现在就是一个 有向无环图(Directed Acyclic Graph, 简称 DAG),而不是一棵树了。

日志结构文件系统

技术的改变会给当前的文件系统带来压力。这种情况下,CPU 会变得越来越快,磁盘会变得越来越大并且越来越便宜(但不会越来越快)。内存容量也是以指数级增长。但是磁盘的寻道时间(除了固态盘,因为固态盘没有寻道时间)并没有获得提高。

为此,Berkeley 设计了一种全新的文件系统,试图缓解这个问题,这个文件系统就是 日志结构文件系统(Log-structured File System, LFS)。旨在解决以下问题。

不断增长的系统内存

顺序 I/O 性能胜过随机 I/O 性能

现有低效率的文件系统

文件系统不支持 RAID(虚拟化)

另一方面,当时的文件系统不论是 UNIX 还是 FFS,都有大量的随机读写(在 FFS 中创建一个新文件至少需要5次随机写),因此成为整个系统的性能瓶颈。同时因为 Page cache 的存在,作者认为随机读不是主要问题:随着越来越大的内存,大部分的读操作都能被 cache,因此 LFS 主要要解决的是减少对硬盘的随机写操作。

在这种设计中,inode 甚至具有与 UNIX 中相同的结构,但是现在它们分散在整个日志中,而不是位于磁盘上的固定位置。所以,inode 很定位。为了能够找到 inode ,维护了一个由 inode 索引的 inode map(inode 映射)。表项 i 指向磁盘中的第 i 个 inode 。这个映射保存在磁盘中,但是也保存在缓存中,因此,使用最频繁的部分大部分时间都在内存中。

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到目前为止,所有写入最初都缓存在内存中,并且追加在日志末尾,所有缓存的写入都定期在单个段中写入磁盘。所以,现在打开文件也就意味着用映射定位文件的索引节点。一旦 inode 被定位后,磁盘块的地址就能够被找到。所有这些块本身都将位于日志中某处的分段中。

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