Lab 5：文件系统

Lab 5：文件系统

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存储的抽象

󱜸 我们日常使用的文件系统是一个多叉树状结构，那么它该以何种方式存储呢？ Ext 文件系统采用了类似“链表树”的方式存储文件关系：每一个文件名对应树上的一个节点，文件夹间的嵌套关系对应一条边。而数据则是以块的方式存储，每个文件名都会维护指向其数据块的指针。 󱜸 设备、程序、文件夹和普通文件有什么区别？ 在 Linux "Every thing is a file" 的设计理念下，用户只需要看到万物皆文件，而操作系统要考虑的事就很多了。虽然都是抽象成文件，实际处理时却需要根据其类型、权限等信息采用不同的处理逻辑。 󱜸 在存储设备中，文件系统以什么形式存在？

以一块使用 Ext2 文件系统的硬盘为例，在格式化后，整体结构如上。可以看到，磁盘的第一个分区是我们熟悉的主引导扇区，然后会被分为若干组。每组里面包括：

• 一个超级块：用来记录 block 和 inode 的总量、已使用和未使用量、最后一次写入数据的时间、是否挂载等一系列基本信息。
• 一个组描述区：用来标记本组开始和结束的 block 号、每个区段（Super Blcok、bitmap等）分别的开始和结束 block 号
• 一个数据块使用标记：用来在创建块时快速找到未使用块号
• 一个节点使用标记：用来在创建节点时快速找到未使用节点号
• 若干节点表：表格的数量是在格式化时确定好的，每个节点占 128 位（16字节），包含节点修改时间、大小、指向的数据块等信息。记录每个块需要 4 位，就算使用了间接记录，单一节点能维护的数据块数量也是有限的，从而文件系统的单文件大小有上限。
• 若干数据块：数据块的数量和大小也是在格式化时确定好的，Ext2 支持 1K、2K 和 4K 三种大小，越大的 block 对应越大的单文件大小，最大支持 2TB 单文件，16TB 文件系统总大小。Ext4 则升级inode 到 256 位，使得其支持 16 TB 单文件和 1EB 文件系统总大小。

󱜸 在 Ext 的文件系统下，文件夹是怎么维护的？如何知道一个文件夹里有哪些文件呢？ 首先，文件夹是特殊的文件，因此按照规则，其也是由一个 inode 存储的。而文件夹中的文件信息，则被维护在文件夹的数据块中，存储其 inode 和名称，这就构成了我们常见的树状结构。

文件系统 API

内核控制

文件是静态的数据，要想对数据进行操作，就需要操作系统将文件的数据加载到内存中，再进行一系列的读写操作。为此，操作系统向应用程序提供了“文件描述符”对文件进行操作。 文件描述符对应着 FCB(File Control Block，文件控制块)。FCB 中维护有当前打开的所有文件的相关信息（打开方式、读写偏移量等）。所有对文件的读写，都有如下流程：

• 程序发起 open 系统调用，请求打开文件
• 操作系统根据文件路径，在文件系统中找到（或创建）相应的文件，创建 FCB，返回其索引作为文件描述符
• 程序获取文件描述符，发起 read、write、lseek 等系统调用，对文件进行操作
• 操作系统根据文件描述符，找到对应的 FCB，并在文件系统中执行对应操作

使用文件描述符，相比于用路径描述文件，更加方便处理（文件描述符只是一个索引数），也更加安全（文件打开过程中可能有其他操作使得路径发生改变）。

并发冲突

󱜸 不同进程如果请求对相同文件的操作，会不会出现冲突？ 操作系统需要处理这种冲突，一般会维护全局的 FCB 引用计数，这样就可以知道文件是否处于编辑状态，从而避免读写冲突；也可以及时关闭没有用的文件。 󱜸 子进程可以继承父进程打开的文件吗？ 对于 fork 系统调用，需要对父进程的 FCB 进行浅拷贝，同时让全局 FCB 对应文件的引用计数加一，这样就可以做到父子进程间偏移量的共享。 对于 exec 系统调用，可以直接将进程的 FCB 保留，全局 FCB 也无需修改，因为这时程序运行等价于在 exec 下面直接执行另一个程序，原来打开的文件没有关上，全局引用计数也不变。

if((pid = fork()) == 0) {
	// child
	close(STDOUT_FILENO);
	open("a.txt");
	exec("ls");
} else {
	// father
	waitpid(pid);
}