真实情况下的磁盘容量是有限的,所以最终日志会占满整个磁盘空间,这种情况下就会出现没有新的磁盘块被写入到日志中。幸运的是,许多现有段可能具有不再需要的块。例如,如果一个文件被覆盖了,那么它的 inode 将被指向新的块,但是旧的磁盘块仍在先前写入的段中占据着空间。
为了处理这个问题,LFS 有一个清理(clean)线程,它会循环扫描日志并对日志进行压缩。首先,通过查看日志中第一部分的信息来查看其中存在哪些索引节点和文件。它会检查当前 inode 的映射来查看 inode 否在在当前块中,是否仍在被使用。如果不是,该信息将被丢弃。如果仍然在使用,那么 inode 和块就会进入内存等待写回到下一个段中。然后原来的段被标记为空闲,以便日志可以用来存放新的数据。用这种方法,清理线程遍历日志,从后面移走旧的段,然后将有效的数据放入内存等待写到下一个段中。由此一来整个磁盘会形成一个大的环形缓冲区,写线程将新的段写在前面,而清理线程则清理后面的段。
日志文件系统虽然日志结构系统的设计很优雅,但是由于它们和现有的文件系统不相匹配,因此还没有广泛使用。不过,从日志文件结构系统衍生出来一种新的日志系统,叫做日志文件系统,它会记录系统下一步将要做什么的日志。微软的 NTFS 文件系统、Linux 的 ext3 就使用了此日志。 OS X 将日志系统作为可供选项。为了看清它是如何工作的,我们下面讨论一个例子,比如 移除文件 ,这个操作在 UNIX 中需要三个步骤完成:
在目录中删除文件
释放 inode 到空闲 inode 池
将所有磁盘块归还给空闲磁盘池。
虚拟文件系统UNIX 操作系统使用一种 虚拟文件系统(Virtual File System, VFS) 来尝试将多种文件系统构成一个有序的结构。关键的思想是抽象出所有文件系统都共有的部分,并将这部分代码放在一层,这一层再调用具体文件系统来管理数据。下面是一个 VFS 的系统结构
还是那句经典的话,在计算机世界中,任何解决不了的问题都可以加个代理来解决。所有和文件相关的系统调用在最初的处理上都指向虚拟文件系统。这些来自用户进程的调用,都是标准的 POSIX 系统调用,比如 open、read、write 和 seek 等。VFS 对用户进程有一个 上层 接口,这个接口就是著名的 POSIX 接口。
文件系统的管理和优化能够使文件系统工作是一回事,能够使文件系统高效、稳定的工作是另一回事,下面我们就来探讨一下文件系统的管理和优化。
磁盘空间管理文件通常存在磁盘中,所以如何管理磁盘空间是一个操作系统的设计者需要考虑的问题。在文件上进行存有两种策略:分配 n 个字节的连续磁盘空间;或者把文件拆分成多个并不一定连续的块。在存储管理系统中,主要有分段管理和 分页管理 两种方式。
正如我们所看到的,按连续字节序列存储文件有一个明显的问题,当文件扩大时,有可能需要在磁盘上移动文件。内存中分段也有同样的问题。不同的是,相对于把文件从磁盘的一个位置移动到另一个位置,内存中段的移动操作要快很多。因此,几乎所有的文件系统都把文件分割成固定大小的块来存储。
块大小一旦把文件分为固定大小的块来存储,就会出现问题,块的大小是多少?按照磁盘组织方式,扇区、磁道和柱面显然都可以作为分配单位。在分页系统中,分页大小也是主要因素。
拥有大的块尺寸意味着每个文件,甚至 1 字节文件,都要占用一个柱面空间,也就是说小文件浪费了大量的磁盘空间。另一方面,小块意味着大部分文件将会跨越多个块,因此需要多次搜索和旋转延迟才能读取它们,从而降低了性能。因此,如果分配的块太大会浪费空间;分配的块太小会浪费时间。
记录空闲块一旦指定了块大小,下一个问题就是怎样跟踪空闲块。有两种方法被广泛采用,如下图所示