十年JAVA搬砖路——操作系统文件系统

浅浅的花香味﹌ 2023-10-15 21:21 20阅读 0赞

#### 操作系统文件系统 ####

*   *  操作系统的文件组织方式
     *  文件控制块（File Control Block，FCB）
     *  文件存储控制
     *  文件系统的层次结构
     *  磁盘结构
     *  常见的磁盘调度算法
     *  廉价冗余存储阵列

**操作系统文件系统**是操作系统中用于组织和管理文件和目录的一种机制。它提供了一种结构化的方式来存储、访问和管理文件数据。

**1. 文件**：文件是存储在计算机系统中的数据单元。它可以是文本文件、图像文件、音频文件等各种类型的数据。文件由文件名和扩展名来标识，并可以包含文件的元数据，如创建时间、修改时间等。

**2. 目录**：目录是用于组织和管理文件的容器。它可以包含文件和其他目录，形成一个层次结构。目录通过路径来标识，路径是一种描述目录位置的字符串，可以是绝对路径（从根目录开始）或相对路径（相对于当前目录）。

**3. 文件操作**：文件系统提供了一组操作来管理文件，如创建、打开、读取、写入、删除、重命名等。这些操作允许应用程序对文件进行读写操作，并提供了文件的访问权限控制。

**4. 文件系统层次结构**：文件系统可以采用不同的层次结构。常见的文件系统层次结构包括层次目录结构、扁平目录结构和索引目录结构。它们决定了文件和目录之间的关系和组织方式。

**5. 文件系统管理**：文件系统还负责管理存储设备上的物理空间分配和文件的存储位置。它使用数据结构，如位图、索引节点等来跟踪文件的位置和状态，并确保文件的完整性和可靠性。

文件系统是操作系统中的一个重要组成部分，它为应用程序和用户提供了方便的文件管理和访问方式。不同的操作系统可能使用不同的文件系统，如Windows使用NTFS、Linux使用EXT4等。  
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### 操作系统的文件组织方式 ###

\*\*  
操作系统的文件组织方式是指操作系统如何组织和管理文件的方法

**1. 层次式文件组织**：这种方式将文件组织成一个层次结构，类似于树形结构。根目录位于顶层，每个子目录都可以包含文件和其他子目录。

**2. 扁平式文件组织**：在扁平式文件组织中，所有文件都保存在同一个目录中，没有子目录的概念。文件名必须是唯一的，以避免冲突。

**3. 索引式文件组织**：索引式文件组织使用一个索引表来记录文件的位置和属性。这个索引表可以根据文件名、文件类型等进行搜索和排序，提高文件的访问效率。

**4. 关系式文件组织**：关系式文件组织使用数据库的概念来组织文件。文件被视为记录，可以使用关系型数据库的查询语言进行检索和管理。  
关系式文件组织并不是将文件直接存储为二进制流，而是将文件的属性和元数据存储在数据库表中。在关系型数据库中，文件被视为记录，每个记录包含文件的属性（如文件名、大小、创建日期等）以及指向实际文件存储位置的指针或引用。 实际的文件内容通常会以二进制形式存储在磁盘上，而不是直接存储在数据库表中。数据库表中的记录会包含指向文件实际存储位置的引用，通过这些引用，可以在需要时访问和操作文件内容。

**5. 对象式文件组织**：对象式文件组织将文件视为对象，每个对象都有自己的属性和方法。这种方式可以更加灵活地管理文件，并支持面向对象的编程思想。

### 文件控制块（File Control Block，FCB） ###

\*\*文件控制块（File Control Block，FCB）\*\*是操作系统中用于管理文件的数据结构。每个文件在文件系统中都有一个对应的文件控制块。文件控制块包含了文件的元数据和属性信息，以及文件在存储设备上的物理位置。

文件控制块通常包含以下信息：

**1. 文件属性**：包括文件名、文件类型、文件大小、创建日期、修改日期等。

**2. 文件权限**：记录了文件的读、写、执行等权限信息，用于控制文件的访问权限。

**3. 文件指针**：指向文件在存储设备上的物理位置，包括文件起始位置、当前读写位置等。

**4. 文件状态**：记录了文件的打开状态、锁定状态、访问计数等信息，用于控制文件的并发访问和操作。

**5. 文件索引**：存储了文件的索引信息，用于快速定位和访问文件的内容。

文件控制块的作用是提供了一个抽象层，操作系统可以通过文件控制块来管理和操作文件，包括创建、打开、关闭、读取、写入、删除等操作。文件控制块的设计可以根据不同的文件系统和操作系统而有所差异，但其基本目的是为了有效管理和控制文件的访问和操作。

### 文件存储控制 ###

**文件存储控制**是指操作系统如何管理和控制文件在存储设备上的存储和访问。它涉及到文件的物理存储位置、文件的读写操作、文件的分配和释放等方面。

文件存储控制的实现通常包括以下几个方面：

**1. 文件分配**：文件分配是指在存储设备上为文件分配空间。常见的文件分配方式包括连续分配、链式分配和索引分配。

*  连续分配：将文件存储在连续的磁盘块上。这种方式简单直观，但可能导致外部碎片问题。
 *  链式分配：使用链表将文件的数据块链接在一起。每个数据块中都包含了指向下一个数据块的指针。这种方式可以避免外部碎片，但可能导致访问效率较低。
 *  索引分配：使用索引表来指示文件的数据块位置。索引表中的每个条目都包含了指向数据块的指针。这种方式可以提高文件的访问效率，但需要额外的索引表空间。

**2. 文件读写**：文件读写是指对文件内容的读取和写入操作。操作系统通过文件控制块中的文件指针来跟踪文件的读写位置。读取文件时，操作系统根据文件指针读取相应的数据块。写入文件时，操作系统将数据写入到合适的位置，并更新文件指针。

**3. 文件保护**：文件保护是指对文件的权限控制和安全性管理。操作系统通过文件控制块中的权限字段来限制文件的访问权限，确保只有授权用户可以访问和修改文件。

**4. 文件管理操作**：操作系统提供了一系列的文件管理操作，如创建文件、删除文件、重命名文件、复制文件等。这些操作会涉及到文件控制块的创建、更新和删除。

### 文件系统的层次结构 ###

**文件系统的层次结构**是指文件和目录之间的组织关系，类似于树形结构。在文件系统中，根目录位于顶层，而其他目录和文件则位于根目录下的不同层级。

**1. 根目录**：根目录是文件系统的最顶层目录，所有其他目录和文件都位于根目录之下。根目录通常是文件系统的起点，通过它可以访问整个文件系统的内容。

**2. 目录**：目录是用于组织和存储文件和其他目录的特殊文件。每个目录可以包含多个文件和子目录。通过目录的层次关系，可以形成多层的目录结构。子目录可以包含更多的子目录，从而形成更深的层次结构。

**3. 路径**：路径是用于定位文件或目录在层次结构中的位置的字符串。路径可以是绝对路径或相对路径。绝对路径从根目录开始，一直到目标文件或目录的完整路径。相对路径是相对于当前目录的路径。

**4. 文件**：文件是存储数据的基本单元，可以是文本文件、图像文件、音频文件等。文件可以直接存储在目录中，也可以存储在子目录中。通过层次结构，可以将文件组织在不同的目录中，以便更好地管理和访问。

文件系统的层次结构提供了一种逻辑上的组织方式，使得文件的存储和访问更加有序和灵活。通过层次结构，可以轻松地定位和管理文件，同时提供了更好的可扩展性和可维护性。

### 磁盘结构 ###

磁盘通常由多个盘片（或称为磁盘片）组成，每个盘片都具有两个面（顶面和底面）。每个面都被划分为一个或多个同心圆的磁道（track），而磁道又被划分为多个扇区（sector）。

磁盘的结构可以描述为一个三维的柱面（cylinder）模型，它由多个盘片上的相同磁道组成一个柱面。柱面是指在同一磁道上的所有盘片上的相对位置。例如，所有盘片上的第1个磁道组成了第1个柱面，所有盘片上的第2个磁道组成了第2个柱面，以此类推。

每个扇区都有一个唯一的地址，用于在磁盘上定位和访问数据。扇区通常具有固定的大小，常见的扇区大小是512字节或4KB。

为了进行数据的读取和写入，磁盘上配备了磁头（head），磁头可以在盘片的表面上移动。磁头可以在不同的磁道之间进行定位，从而访问特定的扇区。

磁盘的结构和工作原理是计算机存储中的重要组成部分，它提供了高速的数据存储和检索能力，并被广泛应用于计算机系统中的硬盘驱动器和其他存储设备。

### 常见的磁盘调度算法 ###

1.  先来先服务（First-Come, First-Served，FCFS）：按照请求的先后顺序进行磁盘访问，即先到达的请求先被服务。这种算法简单直观，但可能导致平均寻道时间较长，不适用于磁盘访问压力较大的情况。
2.  最短寻道时间优先（Shortest Seek Time First，SSTF）：选择离当前磁头位置最近的请求进行访问，以最小化寻道时间。这种算法可以提高磁盘的响应速度，但可能导致某些请求长时间等待。
3.  扫描算法（SCAN）：也称为电梯算法，磁头按照一个方向移动，依次处理该方向上的请求，直到到达最边缘，然后反向移动。这种算法可以避免某些请求长时间等待，但可能导致某些请求在磁头移动过程中被跳过。
4.  循环扫描算法（Circular SCAN，C-SCAN）：类似于扫描算法，但磁头到达最边缘后不反向移动，而是直接返回到最内圆进行下一轮扫描。这种算法可以提高磁盘的吞吐量，但可能导致某些请求等待时间较长。
5.  最短时间优先（Shortest Time First，STF）：根据请求的完成时间来排序，优先处理需要时间最短的请求。这种算法可以最大程度地减少磁盘的总访问时间，但需要预先知道每个请求的执行时间。

这些磁盘调度算法各有优缺点，适用于不同的应用场景和访问模式。选择合适的磁盘调度算法可以提高磁盘的性能和效率。

### 廉价冗余存储阵列 ###

廉价冗余磁盘阵列（Cheap Redundant Array of Independent Disks，简称RAID）是一种通过将多个磁盘组合起来，提供数据冗余和性能提升的技术。RAID可以提供数据的冗余备份，以防止单个磁盘故障导致数据丢失，并且可以通过同时访问多个磁盘来提高数据的读写性能。

RAID有不同的级别，常见的包括：

1.  RAID 0：条带化（Striping），将数据分散存储在多个磁盘上，提高读写性能，但没有冗余备份功能。
2.  RAID 1：镜像（Mirroring），将数据同时写入两个磁盘，提供冗余备份，但没有性能提升。
3.  RAID 5：条带化带奇偶校验（Striping with Parity），将数据和奇偶校验信息分散存储在多个磁盘上，提供冗余备份和读写性能提升。 最少需要3块硬盘
4.  RAID 6：类似于RAID 5，但使用两个奇偶校验进行更高级别的冗余备份。 最少需要4块硬盘
5.  RAID 10：将多个RAID 1组合成RAID 0，提供冗余备份和读写性能提升。