分布式系统 – Unix文件系统

1. 文件系统为共建任何信息系统提供了基础服务

作用：文件存储、管理、检索（retrieve）服务

着眼于两个文件操作：

• fp = open("cs4274/exam", r, 0)
• r = read(fp, n, buf)

2. 硬盘结构：

头，柱面（cylinder），磁道（tracks）扇区：

• 数据首先存储在相同的柱面以减少磁头的移动
• 磁盘操作以扇区作为基本单位

数据块和块数字：

• 文件系统使用块（block）作为磁盘操作的数据单位
  • 通常一个块大于1K（>=扇区大小）
  • 磁盘块通常以其块#指代
• 块 # 到物理地址的翻译
  • sectors = blk_num * (#sects_per_blk)
  • cyld_num = sectors / (#sects_per_cyld)
  • head_num = (sectors % (#sects_per_cyld))/(#sects_per_track)
  • sect_num = sectors % (#sects_per_track)

3. 内部文件结构：

3.1 每个文件对应一个 i-node: 文件属性和其数据索引：

• 文件属性
  • 所有者、访问权限（access permissions）、访问时间（access times）、文件尺寸
  • 12 bytes
• 数据索引：
  • 13 indices： 10 direct indices、1 indirect index、1 double indirect index、1 triple indirect index
  • 13 * 4 = 52 bytes
• 一个 inode 的尺寸，64bytes
• 所有的 inode 被其 inode # 索引

3.2 Unix目录（Directory）文件：

• 目录文件是含有名到 i-node# 的映射项的通常文件：
• 在 BSD4.3 之后，文件名可以是变长的（最长255个字节）。每个项中包含项长度、名称和 inode#

3.3 目录结构和名称分辨力：

• 目录是树状结构
• 路径名称递归地解析到 i-node#，从根组件到组件的解析到相对目录

3.4 磁盘管理：

inode# 到 i-nodes

超级块：

• 每个文件系统拥有一个超级块，其包含：
  • 文件系统的尺寸
  • 系统中空闲块的数量
  • 一个缓存空闲块的数组
  • 下一个空闲块序号的索引
  • 到 i-node 区域开始的指针
  • 系统中空闲 i-node 的数量
  • 缓存的空闲 i-node 的列表
  • 下一个空闲 i-node 的索引
• 超级块（通常是第一个磁盘块）是文件系统的根，在系统启动时必须载入
• 通过 inode 序号计算 inode 地址：
  • blk_num = (inode_num -1) / #inodes_per_blk + st_addr_inodes
  • byte_offset = ((inode_num - 1) mod (#inodes_per_blk)) x inode_size
  • N.B. In UNIX, inode_size = 64, #inodes_per_blk = 16
• 地址翻译的总结：
  • pathname -> inode# -> inode address (block # & offset) -> inode -> data block # -> data address -> data

4. 全局文件组织

4.1 磁盘分区（partitions）

• 磁盘单元被分区为段
• 每个段被设置成文件系统
• inode 号和磁盘块号被文件系统验证

4.2 挂载和解挂操作

• 操作：
  • mount(dev_name, dir_name, options);
  • umount(dev_name)
• 在 incore inode table 中标记为 mount point
• 在 mount table 中挂载到 inode 上
• 跨 mount point 的名称解析：
  • 当内核跨挂载点解析路径名的时候，通过 inode 知晓其挂载点
  • 首先查询挂载表项，其包含超级块的地址和一个指向根 inode 的指针
  • 其接着访问挂载文件系统的根节点，接下来的名称解析在挂载文件系统内部进行解析。

5. 链接文件

• 操作：
  • link(sour_fname,dest_fname)
• 文件系统首先查找源文件的 inode#
• 搜索父目录来找到目的名
• 向父目录添加目的文件的项，添加目的文件和inode#的对
• 注意：链接不能够跨文件系统（软链接可以）