《Linux操作系統(tǒng)原理與應用》課件第6章

第6章文件管理6.1文件管理概述6.2Linux文件系統(tǒng)6.3Ext2文件系統(tǒng)6.4虛擬文件系統(tǒng)習題

6.1文件管理概述

6.1.1文件與文件系統(tǒng)

1.文件

文件是具有名字的一組相關信息的有序集合，存放在外部存儲器中。文件的名字稱為文件名，它是文件的標識。文件的信息可以是各種各樣的，一個程序、一批數(shù)據(jù)、一張圖片、一段視頻等都可以作為文件的內(nèi)容。文件的存儲空間是具有長久記憶特性的外部存儲器(如磁盤、磁帶等)，因而文件是可以長久保存的信息形式。所有需要在系統(tǒng)關機后仍能保留的信息都應以文件的形式存在。

2.文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的一個重要組成部分，它負責管理系統(tǒng)中的文件，為用戶提供使用文件的操作接口。文件系統(tǒng)由實施文件管理的軟件和被管理的文件組成。文件系統(tǒng)軟件屬于系統(tǒng)內(nèi)核代碼，文件則按特定的格式存放在磁盤分區(qū)中。文件系統(tǒng)通常以磁盤分區(qū)劃分，每個分區(qū)對應一個獨立的文件系統(tǒng)。

歸納起來，文件系統(tǒng)的功能包括以下幾項：

●實現(xiàn)文件的“按名存取”，包括按名建立、讀/寫、檢索、修改、刪除文件等操作。

●管理分區(qū)存儲空間，實施存儲空間的分配、回收與重組。

●實現(xiàn)對文件的共享、保密和保護措施。

●提供文件訪問接口。

3.文件的描述

為了實施和控制對文件的各種訪問操作，文件系統(tǒng)為每個文件都建立了一個文件控制塊(FileControlBlock，F(xiàn)CB)。文件的FCB的作用類似于進程的PCB，它記錄了文件的使用者和管理者所關心的所有信息，包括文件名、屬主、文件大小、物理存儲位置、修改和訪問時間、存取權(quán)限等。當用戶創(chuàng)建一個新文件時，文件系統(tǒng)就為這個文件建立起一個FCB。隨著文件的操作，F(xiàn)CB的內(nèi)容也相應地變化。當文件被刪除時，它的FCB也就消失了。

4.文件目錄

計算機系統(tǒng)中通常存有大量的文件，系統(tǒng)須采用某種有效的形式來組織和管理這些文件。由于文件與文件的FCB一一對應，因此，管理文件就是管理文件的FCB。

文件系統(tǒng)采用目錄來組織文件。目錄是FCB的有序集合，通過目錄將所有的FCB分層分類地組織在一起，方便了文件的檢索操作。由于目錄的信息是需要長久保存的，所以目錄也需以文件的形式存在。為此，系統(tǒng)定義了一種特殊的文件——目錄文件，其內(nèi)容是一組FCB構(gòu)成的文件列表，每個表項是一個文件的FCB，在目錄里就稱為目錄項了。由于目錄本身也是文件，因此目錄的FCB也可以作為另一個目錄中的目錄項，從而構(gòu)成目錄的層次關系。目錄的主要功能是實現(xiàn)文件的“按名存取”，即用戶只需提供文件名就可以對文件進行各種操作。目錄實現(xiàn)了文件名到文件物理存放位置的映射。

目錄的另一個功能是合理地組織文件?，F(xiàn)在，幾乎所有的操作系統(tǒng)都采用樹形目錄結(jié)構(gòu)，就是將文件分層分類地組織成一個樹狀結(jié)構(gòu)，從根目錄開始向下延伸。樹形目錄結(jié)構(gòu)的特點是層次清楚，便于文件分類管理，可加快文件的檢索速度。另外，樹形目錄還允許文件重名，即只要文件不在同一目錄下便可以使用相同的名字。

5.文件的結(jié)構(gòu)

文件結(jié)構(gòu)是文件內(nèi)容的組織方式。從不同層面上看到的文件結(jié)構(gòu)有所不同。圖6-1所示是文件在三個不同抽象層次上的結(jié)構(gòu)。圖6-1文件的結(jié)構(gòu)

1)文件的格式

終端用戶是通過應用程序來使用文件的，從他們的角度看到的是文件的應用結(jié)構(gòu)，也就是文件的格式。文件的格式由處理文件的應用程序定義和使用，通常以后綴名相區(qū)分。如“.doc”文件是由Word程序使用的格式，“.bmp”是圖片處理程序使用的格式。

根據(jù)文件格式的結(jié)構(gòu)類型，文件大致可分為結(jié)構(gòu)化文件(如列表文件、數(shù)據(jù)庫文件等)、半結(jié)構(gòu)化文件(如Web文檔、圖片、圖像等)和無結(jié)構(gòu)文件(如純文本文件等)。

2)文件的邏輯結(jié)構(gòu)

文件的邏輯結(jié)構(gòu)是文件系統(tǒng)的直接用戶(也就是應用程序)所看到的文件結(jié)構(gòu)。文件的邏輯結(jié)構(gòu)取決于文件系統(tǒng)接口的設計，它決定了文件存取的方式。應用程序按邏輯結(jié)構(gòu)訪問文件系統(tǒng)中的文件，并在此基礎上構(gòu)造出各種應用結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給應用程序的用戶。也就是說，應用程序負責文件的格式與邏輯結(jié)構(gòu)之間的映射。

文件的邏輯結(jié)構(gòu)有記錄式文件和流式文件兩種，具體介紹見6.1.2小節(jié)。

3)文件的物理結(jié)構(gòu)

文件的物理結(jié)構(gòu)又稱為存儲結(jié)構(gòu)，是指文件在外存上的存儲組織形式。文件系統(tǒng)負責文件的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的映射。

文件的物理結(jié)構(gòu)分為連續(xù)文件、鏈接文件和索引文件3種，具體介紹見6.1.3小節(jié)。

操作系統(tǒng)所關心的是文件的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)。邏輯結(jié)構(gòu)是供文件系統(tǒng)的用戶使用的，物理結(jié)構(gòu)是文件系統(tǒng)內(nèi)部使用的。將邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)相區(qū)分，是為了向用戶屏蔽有關文件存儲的細節(jié)，使用戶可以只憑簡單的邏輯結(jié)構(gòu)來使用文件。6.1.2文件的邏輯結(jié)構(gòu)與存取方式

1.文件的邏輯結(jié)構(gòu)

文件的邏輯結(jié)構(gòu)是從文件的使用者角度所看到的文件信息的組織形式，它獨立于文件的物理存儲特性。

文件的邏輯結(jié)構(gòu)主要分為兩種類型：一種是記錄式文件，另一種是流式文件。

1)記錄式文件

記錄式文件由若干記錄組成，記錄具有固定的長度和一致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中有一個用于標識記錄的記錄號字段。用戶程序預先定義好文件記錄的格式，文件系統(tǒng)就按此格式創(chuàng)建文件。訪問文件時要向文件系統(tǒng)提供記錄號，文件系統(tǒng)則以記錄為單位進行文件的定位和讀/寫。

記錄式文件是結(jié)構(gòu)化的文件，它就像一張表格，用戶程序要按預先規(guī)定的格式填寫數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)，使用起來不夠靈活，也不便于構(gòu)造不規(guī)則的應用格式。另外，記錄的大小與存儲塊的大小難以匹配，讀/寫操作的復雜度較高。由于這些原因，記錄式文件已漸被淘汰。

2)流式文件

流式文件是由字節(jié)序列組成的文件，是無結(jié)構(gòu)的文件。用戶程序訪問文件時只要指定文件的偏移位置和要讀/寫的字節(jié)數(shù)，文件系統(tǒng)即可方便地存取指定部分的文件內(nèi)容。

流式文件就像一張白紙，沒有任何格式上的限制。用戶程序可任意地在字節(jié)流上構(gòu)造自己的應用格式。寫文件時，用戶程序按自己定義的結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)，然后把它們作為字節(jié)流寫入文件；讀文件時，將讀出的字節(jié)流再解釋成自己使用的結(jié)構(gòu)。因此說，無結(jié)構(gòu)實際上就是不限制結(jié)構(gòu)的意思，這為應用程序提供了很大的靈活性，同時又簡化了文件系統(tǒng)的操作。所以現(xiàn)代流行的操作系統(tǒng)，如Unix、Linux、Windows、OS/2等均采用流式文件作為文件的邏輯結(jié)構(gòu)。

2.文件的操作

對文件的操作主要有建立/刪除、打開/關閉、讀/寫、修改屬性等。

建立文件時用戶要為文件指定一個文件名，文件系統(tǒng)以文件名為標識建立文件的FCB，并為文件分配存儲空間等資源。刪除文件的操作與此相反，用戶指定要刪除的文件名，文件系統(tǒng)刪除該文件的FCB，并釋放其占用的存儲空間等資源。

對文件的讀/寫操作都要經(jīng)過文件的FCB來進行。由于FCB存放在外存空間中，如果每次讀/寫文件都要訪問外存FCB的話，存取速度將很低。因此在對文件進行任何讀/寫操作前，需要先打開文件。打開文件就是在內(nèi)存中生成文件的FCB，并返回一個標識其內(nèi)存FCB的文件標識符，隨后的讀/寫操作將通過此文件標識符進行。所有讀/寫完成后應關閉文件。關閉文件操作將內(nèi)存FCB的內(nèi)容寫回外存FCB，回收文件描述符，并刪除內(nèi)存中的文件FCB。

3.文件的存取方式

不論是記錄式文件還是流式文件，其邏輯結(jié)構(gòu)都是一維的，但存取方式有所不同。這里針對流式文件的存取方式介紹如何根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)存取文件。

存取文件指的是對文件的讀/寫操作。每個打開的文件都有一個指示讀/寫位置的指針offset，如圖6-2所示。文件剛打開時，讀/寫位置位于文件頭0字節(jié)處。每次讀/寫文件時(比如用C函數(shù)read()和write()等)，根據(jù)給定的長度參數(shù)讀/寫count個字節(jié)，完成后位置指針會自動移到讀/寫完的位置之后，這樣下次讀/寫就接著本次的位置順序地進行下去。必要時，也可以通過設置讀/寫位置指針來改變讀/寫的次序。例如，需要追加寫入時，需先將位置指針定位到文件尾。

應用程序?qū)α魇轿募拇嫒》绞接袃煞N，即順序存取和隨機存取。圖6?2流式文件的存取

1)順序存取

順序存取就是從文件頭開始順序地訪問文件的每一段信息，直到文件尾。應用程序在加載、保存、傳輸文件時，或?qū)ξ募瞿承┻^濾性處理時，都要對文件進行順序存取操作。

順序存取的通常做法是在一個循環(huán)中調(diào)用文件讀/寫函數(shù)，直到遇到文件結(jié)束符(EOF)。

2)隨機存取

隨機存取也稱為直接存取，就是從文件的指定位置開始存取一段數(shù)據(jù)。很多應用場合需要隨機存取，例如，數(shù)據(jù)庫管理程序從數(shù)據(jù)庫表文件中讀取或修改一個記錄就是一種隨機存取。

隨機存取的方法是：先將讀/寫指針定位到文件的指定位移處(比如用C函數(shù)lseek()等)，然后從此位置開始存取指定字節(jié)數(shù)的一段數(shù)據(jù)。6.1.3文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲方式

文件的物理結(jié)構(gòu)是文件在外存中的組織和存放形式，是文件系統(tǒng)底層所使用的文件結(jié)構(gòu)。文件的物理結(jié)構(gòu)與存儲介質(zhì)的物理特性有關。在介紹文件的物理結(jié)構(gòu)之前有必要了解一些存儲設備的知識和存儲空間的結(jié)構(gòu)。

文件的存儲設備包括磁帶、磁盤、閃存、光盤等，典型的存儲設備是磁盤。下面簡單介紹磁盤的物理結(jié)構(gòu)及磁盤空間的邏輯結(jié)構(gòu)。

1.磁盤的物理結(jié)構(gòu)

磁盤的結(jié)構(gòu)如圖6-3所示。磁盤由一組盤片組成，每個盤片有兩個盤面，在對磁盤進行物理格式化時，在盤面上劃分出多個同心圓，稱為磁道(track)。所有盤面的相同位置的磁道組成的圓柱體，稱為柱面(cylinder)。每個磁道又劃分為多個弧段，稱為扇區(qū)(sector)，通常的大小是512字節(jié)。扇區(qū)是磁盤的物理塊，是磁盤上可尋址的最小存儲單位。文件的數(shù)據(jù)就存儲在一系列扇區(qū)中。圖6-3磁盤結(jié)構(gòu)示意圖(上為俯視圖，下為側(cè)視圖)磁盤在啟動后高速旋轉(zhuǎn)。每個磁面上有一個磁頭，可以在不同磁道之間來回移動。扇區(qū)的定位參數(shù)有三個，即柱面號、磁頭號和扇區(qū)號。訪問磁盤時，先將磁頭移動到指定的柱面上，等待要訪問的扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下，然后指定的磁頭開始讀/寫數(shù)據(jù)。

2.磁盤空間的邏輯結(jié)構(gòu)

由于磁盤是高速設備，一次讀/寫操作可以同時訪問多個相鄰的扇區(qū)(通常是在同一柱面上)。因此，文件系統(tǒng)在讀/寫磁盤時不是以扇區(qū)為單位，而是以塊為單位的。塊(block)由若干個相鄰的扇區(qū)組成，它是對存儲空間的邏輯劃分。塊的大小依賴于文件系統(tǒng)的設置和磁盤容量，但必須是扇區(qū)大小的2的整數(shù)倍，并且要小于內(nèi)存頁幀的大小。通常塊的大小是512?B、1?KB或4?KB。

在文件系統(tǒng)看來，磁盤的存儲空間是由許多在邏輯上連續(xù)的塊組成的，它們從0到n編號，如圖6-4所示。文件系統(tǒng)以塊為單位保存文件數(shù)據(jù)，也以塊為單位傳輸數(shù)據(jù)。所以稱這類存儲設備為塊設備。訪問文件時，只要指定塊號即可，不必關心它對應的扇區(qū)的位置，磁盤驅(qū)動程序會進行邏輯塊到物理塊(扇區(qū))的轉(zhuǎn)換。圖6-4磁盤存儲空間的邏輯結(jié)構(gòu)

3.文件的物理結(jié)構(gòu)

文件的物理結(jié)構(gòu)主要有3種：連續(xù)文件、鏈接文件和索引文件。

1)連續(xù)文件

連續(xù)文件的存儲方案是將文件的內(nèi)容按邏輯順序存放在連續(xù)的存儲塊中，這是最簡單的存儲分配方案，如圖6-5所示。假設磁盤空間采用4K大小的塊，文件A的大小為25K，系統(tǒng)為它分配了連續(xù)的7塊。文件B的大小為10K，系統(tǒng)為它分配了連續(xù)的3塊。它們的存儲空間是連續(xù)的，起始塊號和占用的塊數(shù)都記錄在它們各自的目錄項中。圖6-5連續(xù)文件的存儲結(jié)構(gòu)示意圖連續(xù)存儲方案的優(yōu)點是簡單、存取速度快。由于文件內(nèi)容是連續(xù)存放的，訪問時磁頭移動較少，因而無論順序存取還是隨機存取，其性能都很好。它的缺點之一是限制了文件的動態(tài)增長。另一個缺點是磁盤碎片問題，即經(jīng)過一系列的文件空間分配和回收操作后，空閑空間逐漸變得支離破碎，無法容納新文件。磁盤碎片降低了外存空間的利用率，需要經(jīng)常進行磁盤壓縮整理。由于這些缺點，連續(xù)文件不適合用于磁盤等直接存取設備。它主要用于在順序存取設備(如磁帶)或只讀存儲設備(如只讀光盤)上存儲文件。

2)鏈接文件

鏈接文件的存儲思想是：文件內(nèi)容可以存放在彼此不連續(xù)的存儲塊中，用指針拉鏈的方式表示文件內(nèi)容的邏輯順序。做法是：每個塊留出一個空間來存放指向下一塊地址的指針。在目錄項中記錄了文件首塊的磁盤地址，從首塊出發(fā)可以依次找到其他各塊，如圖6-6所示。圖中，文件A占用了4個存儲塊，依次是1→2→9→11；文件B占用了5個存儲塊，依次是5→6→3→15→18。與連續(xù)存儲方案相比，鏈接存儲中不再有磁盤碎片問題，因為每個塊都可以被利用。然而，鏈接文件的主要缺點是存取效率問題。由于不是連續(xù)存放，造成訪問時磁頭移動次數(shù)較多，順序存取還算方便，但直接存取就相當緩慢了。另外，由于指針占去了一些字節(jié)，每個塊的字節(jié)數(shù)不再是2的冪，增加了讀/寫操作的復雜度。因為大多數(shù)程序都是以2的冪為長度來讀/寫塊的。圖6-6鏈接文件的存儲結(jié)構(gòu)示意圖目前，實際使用的鏈接文件是針對以上問題進行了改進的方案。改進的思想是將指針部分從存儲塊中提出來，單獨存放在一個鏈接表中。鏈接表的每一項對應一個存儲塊，其內(nèi)容是該塊所鏈接的下一個塊的塊號。圖6-7所示是文件分配鏈接表方案的示意圖。圖中描述了與圖的分配情形相同的兩條塊號鏈，一條是文件A的鏈，從表項1開始；另一條是文件B的鏈，從表項5開始。圖6-7文件分配鏈接表示意圖鏈接表占用的空間小，可以放在內(nèi)存中。當需要訪問文件時，只要在表中順著鏈進行查找即可，不需要訪問磁盤，因而提高了文件定位的速度。Windows的FAT文件系統(tǒng)采用的就是這種改進的鏈接文件結(jié)構(gòu)。

鏈接文件的優(yōu)點是允許文件長度動態(tài)變化，外存空間利用率高；缺點是存取效率(尤其是直接存取的效率)較連續(xù)文件低。對小文件來說沒有問題，但文件越大存取效率就越低。因此，鏈接文件更適合于小型文件系統(tǒng)。雖然在建立文件時文件系統(tǒng)會盡量為文件分配連續(xù)的區(qū)域，但經(jīng)過一段時間的文件動態(tài)增長或縮減操作后，文件的各存儲塊可能會變得過度分散，各文件的塊鏈穿插交錯，使存取效率大大降低。為解決這個問題，Windows的FAT文件系統(tǒng)采用了磁盤整理的方法。當文件訪問效率下降時，通過磁盤整理來重新調(diào)整文件在存儲空間中的分布，使其盡可能連續(xù)。

3)索引文件

索引文件的存儲方案也是允許將文件內(nèi)容存放在不連續(xù)的存儲塊中，但它是用索引表來建立文件內(nèi)容與存儲塊之間的聯(lián)系的。索引文件的分配思想與頁式內(nèi)存分配很相似，索引表就如同頁表的作用。圖6-8所示為索引文件的存儲結(jié)構(gòu)示意圖，文件A占用了4塊，依次是第7、0、9、14塊。通過文件的索引表可以直接找到各塊。圖6-8索引文件的存儲結(jié)構(gòu)示意圖索引文件具有鏈接文件的優(yōu)點，文件定位速度更快，順序存取和隨機存取效率都比較高。索引文件的缺點是占用的存儲空間較多，因為索引表本身需占用一定的存儲空間。對于只有1～2塊的小文件來說，雖然其索引表很小，但也要占用同樣的存儲空間。因此，對于小文件較多的系統(tǒng)來說，空間的浪費比較明顯，索引表的查找速度優(yōu)勢也并不明顯?？偟恼f來，索引文件更適合于追求性能的大中型文件系統(tǒng)，如Unix、Linux的文件系統(tǒng)都采用了一種多重索引的文件結(jié)構(gòu)，具體介紹見6.3.1小節(jié)。6.1.4文件的共享與保護

1.文件共享

在多用戶系統(tǒng)中，有時會有多個用戶需要使用同一個文件的情況，比如一個項目組成員都要用到某些項目文件。如果每個用戶都保存一個文件副本則會浪費很多的存儲空間。文件共享是指允許一個文件被多個用戶或進程共同使用。這樣可以節(jié)省存儲空間和傳輸時間，并可避免因存在多個文件副本而可能發(fā)生的不一致的現(xiàn)像。實現(xiàn)文件共享的方法是鏈接法。當需要共享某個已存在的文件時，可以建立一個特殊的文件，稱為鏈接文件。這個文件有獨立的文件名，但并無實際的文件內(nèi)容，它的作用是建立一條到共享文件的通路。因此，鏈接文件名可以看做原共享文件的別名，它們都指向相同的文件內(nèi)容，訪問鏈接文件就是在訪問共享文件本身。在Linux系統(tǒng)中，鏈接文件被作為一種特殊的文件類型來對待，關于鏈接法的更詳細的介紹見6.3.1小節(jié)。

對于共享文件，可能會發(fā)生多個進程同時存取同一文件的情況，文件系統(tǒng)必須提供同步控制機制，以保證文件內(nèi)容的完整性。

2.文件的保護

文件保護的目的是防止文件被未授權(quán)的用戶訪問，造成泄密或意外的破壞。在多用戶系統(tǒng)環(huán)境下,文件保護特重要。

保護文件的主要手段是控制用戶對文件的存取權(quán)限。文件的存取權(quán)限包括讀、寫和執(zhí)行權(quán)。適當?shù)卦O置存取權(quán)限可以防止文件泄密、毀壞和被非法使用。

不同的用戶對文件的權(quán)限要求也是不同的，因此在權(quán)限分配時要根據(jù)用戶的性質(zhì)、職能、需求等對用戶進行分類，對不同種類的用戶分別授權(quán)。當用戶進行文件操作時，系統(tǒng)根據(jù)用戶的身份和文件的權(quán)限設置判斷用戶是否有權(quán)執(zhí)行這個操作。符合存取權(quán)限的操作將被執(zhí)行，違反權(quán)限的操作系統(tǒng)將拒絕執(zhí)行。通常有兩種用戶分類方法：一是將用戶分為系統(tǒng)管理員和普通用戶兩類，所有普通用戶具有相同的訪問權(quán)限。這是一種比較粗糙的分類，一般用于個人操作系統(tǒng)。另一種是Unix/Linux采用的分類方法，將用戶分為超級用戶、文件屬主、組用戶和其他用戶4類?？梢詾槊款愑脩粼O置不同的訪問權(quán)限，從而實現(xiàn)了細粒度的權(quán)限控制。6.1.5文件存儲空間的管理

文件系統(tǒng)要對文件的存儲空間進行管理，管理工作包括：建立文件時為文件分配存儲空間；刪除文件時回收文件占用的存儲空間；修改文件時動態(tài)地分配和回收文件的存儲空間。不同的文件系統(tǒng)對文件存儲空間的管理方案也不同，常用的管理方案有以下3種：

1.位示圖

位示圖是由若干個字節(jié)組成的一張表，如圖6-9所示。每個字節(jié)的每一位對應一個存儲塊的狀態(tài)，為“1”表示該塊已被占用，“0”表示該塊空閑。

位示圖法適合于索引文件。分配時，先掃描位示圖，找到足夠的空閑塊(對應位為“0”)，分配給文件，并將對應的位改為“1”；回收時，將對應的位改為“0”即可。

由于位示圖的體積較小，可以全部或部分保存的內(nèi)存中，因此可實現(xiàn)高速的分配算法。圖6-9位示圖

2.空閑區(qū)表

空閑區(qū)表是記錄連續(xù)的空閑區(qū)域的表格，表格中的每一項記錄一個空閑區(qū)的起始塊號和塊數(shù)，如圖6-10所示。

空閑塊表法適合于連續(xù)文件。分配時，依次掃描空閑區(qū)表，查找大小合適的空閑區(qū)，分配給文件。如果空閑區(qū)大小正好是文件需要的塊數(shù)，則刪去該表項；否則修改該表項，扣除被文件占用的區(qū)域。回收時，將文件釋放的區(qū)域填入空閑區(qū)表。如果與其他空閑區(qū)發(fā)生鄰接，則將鄰接區(qū)域的表項合并。圖6-10空閑塊表

3.空閑塊鏈表

將所有空閑塊的塊號用鏈表形式鏈在一起就形成了一個空閑塊鏈表，如圖6-11所示。

空閑塊鏈表法適合于鏈式文件。分配時，從鏈表頭取下若干鏈表節(jié)點，將對應的空閑塊分配給文件使用；回收時，將文件釋放的空閑塊的塊號鏈入鏈表中。圖6-11空閑塊鏈表

6.2Linux文件系統(tǒng)

6.2.1Linux文件系統(tǒng)的特點

Linux繼承了Unix文件系統(tǒng)的優(yōu)秀設計，并結(jié)合了一些現(xiàn)代文件系統(tǒng)的先進技術，在開放性、可擴展性和性能方面都十分出色。以下介紹Linux文件系統(tǒng)的幾個主要特征。

1.支持多種文件系統(tǒng)

許多操作系統(tǒng)(如DOS、Windows等)只支持一種或幾種專用的文件系統(tǒng)，而Linux系統(tǒng)則可以支持幾乎所有流行的文件系統(tǒng)。這使得Linux可以和許多其他操作系統(tǒng)共存，允許用戶訪問其他操作系統(tǒng)分區(qū)中的文件。用戶可以使用標準的系統(tǒng)調(diào)用操作各個文件系統(tǒng)中的文件，并可在它們之間自由地復制和移動文件。這種兼容性帶來的另一個好處是Linux用戶可以根據(jù)應用需要選擇最適合的文件系統(tǒng)，并可體驗眾多文件系統(tǒng)新產(chǎn)品的先進特色。

2.樹型可掛裝目錄結(jié)構(gòu)

Linux系統(tǒng)采用了樹型目錄和分區(qū)掛裝的概念，系統(tǒng)分區(qū)上的文件系統(tǒng)稱為根文件系統(tǒng)，其他所有分區(qū)的文件系統(tǒng)都要掛裝(mount)到根文件系統(tǒng)下的某個目錄下，然后通過根目錄來訪問。因此，與Windows系統(tǒng)將每個分區(qū)獨立為一棵樹不同，Linux文件系統(tǒng)總是只有一棵樹，不管掛入的是本地磁盤分區(qū)還是網(wǎng)絡上的文件系統(tǒng)，它們都與根文件系統(tǒng)無縫結(jié)合，用戶訪問這些分區(qū)就如同訪問根文件系統(tǒng)所在分區(qū)一樣。另外，Linux支持動態(tài)地掛裝和卸載文件系統(tǒng)，允許用戶靈活地組織和擴充存儲空間。

3.文件、設備統(tǒng)一管理

Linux將設備也抽象為文件來處理，使用戶可以像讀/寫文件一樣地操作設備進行I/O操作。這樣做既簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和代碼，又方便了用戶對設備的使用。在第7章中將介紹Linux如何通過文件系統(tǒng)來管理設備。6.2.2Linux文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

Linux文件系統(tǒng)采用了分層結(jié)構(gòu)的設計，如圖6-12所示。

Linux文件系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：圖6-12Linux文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.設備驅(qū)動程序

文件系統(tǒng)需要利用存儲設備來存儲文件，因此，存儲設備是文件系統(tǒng)的物質(zhì)基礎。除此之外，Linux系統(tǒng)中的其他設備也是作為文件由文件系統(tǒng)統(tǒng)一管理的。所有這些設備都由特定的設備驅(qū)動程序直接控制，它們負責設備的啟動、數(shù)據(jù)傳輸控制和中斷處理等工作。

Linux的各種設備驅(qū)動程序都通過統(tǒng)一的接口與文件系統(tǒng)連接。文件系統(tǒng)向用戶提供使用文件的接口，設備驅(qū)動程序則控制設備實現(xiàn)具體的文件I/O操作。

2.實際文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是以磁盤分區(qū)來劃分的，每個磁盤分區(qū)由一個具體的文件系統(tǒng)管理，不同分區(qū)的文件系統(tǒng)可以不同。Linux系統(tǒng)支持多種不同格式的文件系統(tǒng)，除了專為Linux設計的Ext2/Ext3、JFS、XFS、ReiserFS和NFS之外，還支持Unix系統(tǒng)的sysv、ufs、bfs，Minix系統(tǒng)的minx、XIA，Windows系統(tǒng)的FAT32、NTFS，DOS系統(tǒng)的FAT16，以及OS/2系統(tǒng)的hpfs等。這些文件系統(tǒng)都可以在Linux系統(tǒng)中工作。Linux默認使用的文件系統(tǒng)是Ext2/Ext3。

3.虛擬文件系統(tǒng)

實際文件系統(tǒng)通常是為不同的操作系統(tǒng)設計和使用的，它們具有不同的組織結(jié)構(gòu)和文件操作接口函數(shù)，相互之間往往差別很大。為了屏蔽各個文件系統(tǒng)之間的差異，為用戶提供訪問文件的統(tǒng)一接口，Linux在具體的文件系統(tǒng)上增加了一個稱為虛擬文件系統(tǒng)(VirtualFileSystem，VFS)的抽象層。

虛擬文件系統(tǒng)運行在最上層，它采用一致的文件描述結(jié)構(gòu)和文件操作函數(shù)，使得不同的文件系統(tǒng)按照同樣的模式呈現(xiàn)在用戶面前。有了VFS，用戶覺察不到文件系統(tǒng)之間的差異，可以使用同樣的命令和系統(tǒng)調(diào)用來操作不同文件系統(tǒng)，并可以在它們之間自由地復制文件。

4.緩存機制

文件系統(tǒng)和存儲設備進行數(shù)據(jù)傳輸時采用了緩存技術來提高外存數(shù)據(jù)的訪問效率。緩存區(qū)是在內(nèi)存中劃分的特定區(qū)域。每次從外設讀取的數(shù)據(jù)都暫時存放在這里。下次讀取數(shù)據(jù)時，首先搜索緩存區(qū)，如果有需要的數(shù)據(jù)，則直接從這里讀??；如果緩存區(qū)中沒有，則再啟動設備讀取相應的數(shù)據(jù)。對于寫入磁盤的數(shù)據(jù)，也先放入到緩存區(qū)中，然后再分批寫出到磁盤中。使用緩存技術使得大多數(shù)數(shù)據(jù)傳輸都直接在進程的內(nèi)存空間和緩存區(qū)之間進行，減少了外部設備的訪問次數(shù)，提高了系統(tǒng)的整體性能。

VFS文件系統(tǒng)使用了緩沖區(qū)緩存、目錄項緩存以及i節(jié)點緩存等技術，使得整個文件系統(tǒng)具有相當高的效率。

6.3Ext2文件系統(tǒng)

Ext2(Extended-2)文件系統(tǒng)是專為Linux系統(tǒng)設計的一種文件系統(tǒng)。它采用的是Unix文件系統(tǒng)的設計思想，運行穩(wěn)定，存取效率也很高，可支持最大4?TB(1T=1024G)的磁盤分區(qū)。2000年以前，它一直是幾乎所有的Linux發(fā)行版的默認的文件系統(tǒng)。

Ext2的弱點在于它是一個非日志文件系統(tǒng)。日志文件系統(tǒng)可以在系統(tǒng)發(fā)生斷電或者其他系統(tǒng)故障時保證文件數(shù)據(jù)的完整性，這對關鍵行業(yè)的應用是十分重要的。近年來Ext2已逐漸被它的升級版Ext3取代。Ext3是一個基于Ext2開發(fā)的日志文件系統(tǒng)。它具有健全的日志功能，可靠性很高。在非正常關機后，文件系統(tǒng)可在數(shù)十秒鐘內(nèi)自行修復。另外，Ext3文件系統(tǒng)的容量有了很大的提高，可以支持最大32?TB的文件系統(tǒng)和最大2?TB的文件。目前Ext3已被許多Linux發(fā)行版作為默認安裝的文件系統(tǒng)。目前，第4代Ext文件系統(tǒng)Ext4正處于試用階段。Ext4最為顯著的改進是文件和文件系統(tǒng)的大小。Ext4文件系統(tǒng)的容量達到1024?PB(1P=1024T)，而文件大小則可達到16?TB。

本節(jié)對Ext2文件系統(tǒng)進行分析和介紹，其基本結(jié)構(gòu)和操作同樣也適用于Ext3和Ext4。6.3.1Ext2文件的結(jié)構(gòu)

Ext2文件的邏輯結(jié)構(gòu)是無結(jié)構(gòu)的流式文件?；谧止?jié)流的概念，使得Linux系統(tǒng)可以把目錄、設備等都當作文件來統(tǒng)一對待。Ext2文件的物理結(jié)構(gòu)采用易于擴展的多重索引方式，便于文件動態(tài)增長，同時也可以方便地實現(xiàn)順序和隨機訪問。

1.Ext2文件的描述

Ext2文件系統(tǒng)采用了改進的FCB結(jié)構(gòu)來描述文件。

FCB要描述的信息比較多，所以一般要占較多的空間。當目錄下的文件很多時，目錄文件(其內(nèi)容是目錄項列表)就會很大，往往需要占用多個存儲塊，這將導致目錄檢索的效率下降。改進的方法是將FCB分解為兩個部分：主部和次部。FCB主部包含除文件名之外的全部信息，稱為索引節(jié)點或i節(jié)點。次部只包含文件名和主部的標識號碼(即i節(jié)點號)。文件目錄由各文件的FCB次部組成，主要實現(xiàn)按名檢索的目的。由于目錄項(即FCB次部)很小,目錄文件也就很小,按文件名檢索的速度很快，檢索到后就可以立即找到文件的i節(jié)點了。

Ext2目錄項(directoryentry)主要包括文件名和i節(jié)點號兩部分。i節(jié)點號用于指示i節(jié)點的存放位置，文件名用于文件檢索。Ext2文件系統(tǒng)支持最長255個字符的長文件名。

Ext2文件系統(tǒng)采用索引節(jié)點(inode)方式來描述文件，系統(tǒng)中的所有文件(包括目錄和設備)都對應一個唯一的i節(jié)點。i節(jié)點的內(nèi)容包含文件說明信息和索引表兩部分，文件說明信息部分包括模式(訪問權(quán)限與類型)、所有者(屬主和屬組)、長度、時間戳、連接數(shù)等信息。索引表部分是指向文件存儲塊的索引指針。

圖6-13是Ext2文件的目錄項和索引節(jié)點的結(jié)構(gòu)。圖6-13Ext2文件的描述

2.?Ext2索引結(jié)構(gòu)

Ext2文件采用了多重索引的物理結(jié)構(gòu)，用i節(jié)點中的索引表描述，見圖6-14。

索引表中前12個表項是直接指針，直接指向文件的數(shù)據(jù)塊。這些塊稱為直接塊。第13個表項是一個一級間接指針，它指向一個索引塊。索引塊中存放的是間接索引表，通過間接索引表中的指針再指向數(shù)據(jù)塊。這些由間接指針指向的塊稱為間接塊。類似的，索引表的第14項和第15項提供了一個二次間接和一個三次間接指針，可提供對更多的間接塊的索引。提供多級間接指針的目的是為了表達大型文件的結(jié)構(gòu)。圖6-14Ext2文件的多重索引結(jié)構(gòu)

Ext2文件系統(tǒng)的默認塊大小是1?KB。對于12K以下的小文件，不需要使用間接索引，所有信息均在i節(jié)點中，因此訪問的速度非?？?。大一些的文件，需要用到一個間接索引塊。

一個間接索引表含有256個間接指針(每個指針占4字節(jié)，則1K大的塊可容納256個指針)，可以索引256個間接塊。因此，大小在12K～268K的文件需要一次間接，訪問速度會有所降低。而對于大型的文件，可以使用二次間接甚至三次間接指針，得到最大約16?GB的文件。

3.Ext2目錄文件的描述

目錄文件的描述結(jié)構(gòu)與普通文件一樣，每個目錄文件對應一個目錄項(在其父目錄中)以及一個i節(jié)點。不同之處在于目錄文件的內(nèi)容數(shù)據(jù)塊中存放的是一個目錄項列表，包含了該目錄下的所有文件的目錄項，頭兩個目錄項是“.”和“..”。Ext2目錄結(jié)構(gòu)如圖6-15所示。圖6-15

Ext2目錄結(jié)構(gòu)目錄文件A的內(nèi)容是一個含有6個目錄項的列表，其中“.”文件就是本文件的別名，它的i節(jié)點域指向了本文件的i節(jié)點，“..”文件是父目錄文件的別名，它的i節(jié)點域指向了父目錄文件的i節(jié)點(根目錄的“..”就是其自身)。其余4個表項分別對應了目錄A下的B、C、D、E子文件，其中文件B是一個子目錄，文件C是一個普通文件。文件D和E是一個共享文件。

4.?Ext2文件的定位

按名查找是文件系統(tǒng)要提供的一項重要功能。當用戶需要打開某個文件時，只要指定文件的路徑和名稱即可。文件系統(tǒng)根據(jù)路徑和文件名，從根目錄開始逐級向下找到文件所在的目錄，再找到文件的索引節(jié)點，然后就可以通過索引節(jié)點訪問文件中的數(shù)據(jù)了。這個過程就是文件的定位。例如，要查找文件/home/zhuge/memo文件，定位過程如下：

(1)在超級塊中找到根目錄“/”的索引節(jié)點(1號i節(jié)點)，通過它找到根目錄文件的內(nèi)容，即根目錄項列表，如圖6-16(a)所示。

(2)在根目錄項列表中查找home目錄文件的索引節(jié)點(6號i節(jié)點)，通過它找到/home目錄的目錄項列表，如圖6-16(b)所示。

(3)在/home目錄項列表中查找zhuge目錄文件的索引節(jié)點(17號i節(jié)點)，通過它找到/home/zhuge目錄的目錄項列表，如圖6-16(c)所示。

(4)在/home/zhuge目錄項列表中查找memo文件的索引節(jié)點(60號i節(jié)點)，這就是目標文件的索引節(jié)點。通過它找到/home/zhuge/memo文件的內(nèi)容，如圖6-16(d)所示。

隨后的文件訪問操作都將通過這個索引節(jié)點進行。圖6-16文件的定位過程

5.文件的鏈接

文件鏈接是實現(xiàn)文件共享的主要方式。Linux系統(tǒng)提供了兩種文件鏈接方式，即符號鏈接和硬鏈接，用link()系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)。用戶可以用ln命令建立文件鏈接。

符號鏈接(symboliclink)很像Windows系統(tǒng)中的快捷方式，即建立一個符號鏈接文件，其內(nèi)容是到一個實際存在的文件的路徑描述。訪問符號鏈接文件時，系統(tǒng)將根據(jù)其記載的內(nèi)容轉(zhuǎn)去訪問那個實際文件。符號鏈接文件與目標文件是兩個獨立的文件，有著各自的i節(jié)點和數(shù)據(jù)塊。它們之間通過文件內(nèi)容而邏輯地鏈接在一起。硬鏈接(hardlink)則是將兩個或多個文件通過i節(jié)點物理地鏈接在一起。硬鏈接的文件具有不同的文件名和同一個i節(jié)點，通過其中任何一個文件名訪問得到的都是同一內(nèi)容，這就如同是一個文件具有多個別名。圖中的文件D和E就是硬鏈接的一個例子。硬鏈接文件的目錄項可以在同一目錄下，也可以在不同的目錄下，但不能跨越文件系統(tǒng)(即分區(qū))。

文件的i節(jié)點中記錄了該文件的連接數(shù)，用ls-l命令可以顯示出文件的連接數(shù)。連接數(shù)表示連接到該i節(jié)點的文件目錄項的數(shù)目。新建的普通文件的連接數(shù)為1，每建立一個與它相連的硬鏈接文件時其連接數(shù)就增1。圖中的文件C的連接數(shù)是1，文件D和E的連接數(shù)都是2。刪除一個文件時，實際是刪除它的目錄項并將其i節(jié)點的連接數(shù)減1，若連接數(shù)為0才真正釋放文件的i節(jié)點和數(shù)據(jù)塊。新建目錄的連接數(shù)為2，對應了兩個文件名，即本目錄名與“.”。每當在其下建立一個子目錄時，它的連接數(shù)就增1，因為它在子目錄下又有了它的另一個文件名，即“..”。例如，圖中的目錄A的連接數(shù)為3，目錄B的連接數(shù)為2。

6.3.2Ext2文件系統(tǒng)的格式

Ext2文件系統(tǒng)在格式化時把它所占用的磁盤分區(qū)分為一個引導塊和若干個塊組。每一個塊組都由超級塊、組描述符表、塊位圖、i節(jié)點位圖、i節(jié)點區(qū)和數(shù)據(jù)塊區(qū)組成，如圖6-17所示。圖6-17Ext2文件系統(tǒng)的物理布局

1.引導塊與塊組

引導塊位于磁盤主分區(qū)的頭部，一般占用一個扇區(qū)，用來存放引導程序。引導程序負責加載操作系統(tǒng)，它不是文件系統(tǒng)的組成部分。

除引導塊外，分區(qū)的其他存儲空間以存儲塊為單位劃分。Ext2文件系統(tǒng)的存儲塊大小可以是1?KB、2?KB或4?KB，在創(chuàng)建文件系統(tǒng)的時候指定。塊大小的選取要合適，過大會降低存儲空間的利用率，過小則會降低文件系統(tǒng)的時間效率，默認值是1?KB。大型磁盤分區(qū)包含的存儲塊數(shù)量眾多，為便于管理，Ext2文件系統(tǒng)它們劃分為若干個塊組(blockgroup)，每個塊組中包含一定數(shù)量的連續(xù)的存儲塊。塊組的大小取決于磁盤分區(qū)的大小。在軟盤等一些小容量分區(qū)里一般只使用一個塊組，它包含了文件系統(tǒng)里所有的塊。而在大磁盤分區(qū)里通常會劃分出許多個塊組。

每個塊組中有一部分塊是用來保存該塊組的管理信息的，包括超級塊、組描述符、塊位圖和i節(jié)點位圖。其余的塊是用于保存文件的，包括i節(jié)點區(qū)和數(shù)據(jù)塊區(qū)。

2.超級塊和組描述符

每個Ext2的磁盤分區(qū)有一個超級塊(superblock)，它占用一個存儲塊，用來記錄整個文件系統(tǒng)的基本管理信息，如文件系統(tǒng)類型標識、數(shù)據(jù)塊大小、塊組大小、空閑塊和空閑i節(jié)點數(shù)量、第一個i節(jié)點(即根目錄的i節(jié)點)的塊號等。這些都是文件系統(tǒng)掛裝、檢查、分配、檢索等操作的基本參數(shù)，是文件系統(tǒng)中最重要的數(shù)據(jù)。若超級塊損壞則整個分區(qū)的文件系統(tǒng)不再可用。

Ext2文件系統(tǒng)的每個塊組都有一個組描述符(groupdescriptor)，用來記錄該塊組的使用信息，包括塊組中的塊位圖、i節(jié)點位圖和i節(jié)點區(qū)的位置、塊組內(nèi)存儲塊的分配情況等。所有塊組的組描述符集中在一起就形成了組描述符表，它是文件系統(tǒng)管理和訪問各塊組的依據(jù)。組描述符表位于超級塊之后，可能占用多個存儲塊。

為提高文件系統(tǒng)的可靠性，每個塊組中都保存有超級塊和組描述符表的一個副本。文件系統(tǒng)只使用第一個塊組中的超級塊和組描述符表，其他塊組中的則作為冗余備份，以便在系統(tǒng)崩潰時用來恢復文件系統(tǒng)。

3.i節(jié)點區(qū)

塊組中所有可用的i節(jié)點都集中存放在一起，形成i節(jié)點區(qū)，或稱為索引節(jié)點表。塊組中的每個文件都在此表中占有一個i節(jié)點，通過i節(jié)點號檢索。索引節(jié)點表要占用多個連續(xù)的存儲塊。

4.數(shù)據(jù)塊區(qū)

數(shù)據(jù)塊區(qū)包含了大量的存儲塊，用于存放文件的內(nèi)容以及各級間接索引表。每個文件根據(jù)大小不同在數(shù)據(jù)塊區(qū)占有1至多個存儲塊。

5.位示圖

Ext2系統(tǒng)采用位示圖方式來管理空閑空間，一個位示圖用于記錄數(shù)據(jù)塊的分配情況，稱為“塊位圖”；另一個位示圖用于記錄i節(jié)點的分配情況，稱為“i節(jié)點位圖”。它們各占用1個存儲塊。位示圖中每一位代表一個塊的使用情況，為“0”表示相應的塊或i節(jié)點空閑，為“1”則表示已經(jīng)分配。6.3.3Ext2文件存儲分配策略

當建立一個新的文件時，文件系統(tǒng)要為它分配一個i節(jié)點和一定數(shù)目的數(shù)據(jù)塊。當該文件被刪除時，文件系統(tǒng)將回收其占有的i節(jié)點和數(shù)據(jù)塊。當文件在讀/寫過程中擴充或縮減了內(nèi)容時，文件系統(tǒng)也需要動態(tài)地為它分配或回收數(shù)據(jù)塊。

分配時根據(jù)位示圖的記錄為文件分配i節(jié)點和數(shù)據(jù)塊。分配策略在一定程度上決定著文件系統(tǒng)的整體效率。系統(tǒng)會盡可能把同一個文件所使用的塊、同一個目錄所關聯(lián)的i節(jié)點存放在相鄰的單元中，至少是在同一個塊組內(nèi)，以提高文件的訪問效率。另外，Ext2文件系統(tǒng)還采用稱為預分配的機制來保證文件內(nèi)容擴展時塊的分配效率和效果。在文件建立的時候，如果有足夠的空閑塊，就在相鄰的位置為文件分配多于當前使用的塊，稱為預分配塊。當文件內(nèi)容擴展時，優(yōu)先使用這些塊，可以提高分配效率，也可以保證這些塊具有連續(xù)關系。如果預分配的塊用完或者是根本沒有啟動預分配機制，分配新塊時也要盡可能保證與原有塊相鄰。

6.4虛擬文件系統(tǒng)

虛擬文件系統(tǒng)(VFS)位于整個文件系統(tǒng)的最上層。向下，它與實際的文件系統(tǒng)接口，通過它們實現(xiàn)具體的文件操作；向上，它為用戶進程及內(nèi)核其他模塊提供使用文件系統(tǒng)的統(tǒng)一接口。VFS接受來自上層的有關文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用，把用戶所請求的文件操作進行適當?shù)霓D(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)交給具體的文件系統(tǒng)進行處理，然后再把具體的操作結(jié)果返回給上層的調(diào)用者。此外，VFS還要負責管理文件系統(tǒng)的各種緩沖區(qū)，保證文件系統(tǒng)的整體效率。虛擬文件系統(tǒng)之所以稱為虛擬，是因為它只存在于內(nèi)存中，在系統(tǒng)啟動時建立起來，在系統(tǒng)關閉時消失。VFS不能直接操作文件，所有對文件的實際操作都要通過實際存在于磁盤分區(qū)的文件系統(tǒng)來完成。因此，虛擬文件系統(tǒng)必須和某個或某些實際的文件系統(tǒng)一起才能實現(xiàn)完整的文件管理功能。

引入虛擬文件系統(tǒng)的目的是為了屏蔽各種文件系統(tǒng)的差異。它對實際文件系統(tǒng)進行抽像，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中描述所有實際的文件系統(tǒng)，向用戶提供一組標準的文件操作函數(shù)。VFS負責將標準文件操作映射到實際文件系統(tǒng)的操作。正是這種抽像和映射，保證了Linux系統(tǒng)可以支持多種不同的文件系統(tǒng)，使所有文件系統(tǒng)都具有基本相同的外部表現(xiàn)。6.4.1VFS的文件對象

VFS雖然是用C語言寫成的，但它其實是采用了面向?qū)ο蟮脑O計思想。VFS使用一族數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述通用的文件對象，這些結(jié)構(gòu)體除了包含有一些數(shù)據(jù)外還包含了操作這些數(shù)據(jù)的函數(shù)指針。構(gòu)成VFS文件系統(tǒng)的基本對象有以下4類：

●

VFS超級塊(superblock)，描述一個文件系統(tǒng)；

●

VFS目錄項(dentry)，描述一個文件的邏輯屬性；

●

VFS索引節(jié)點(inode)，描述一個文件的物理屬性；

●

VFS文件(file)，描述一個文件的當前使用信息。

VFS的對象存在于內(nèi)存。它們在適當?shù)臅r候被建立起來。建立時，結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)由實際文件系統(tǒng)的相應的數(shù)據(jù)來填充，操作函數(shù)由實際的文件系統(tǒng)實現(xiàn)。VFS依據(jù)這些對象提供的信息和操作函數(shù)來完成將用戶的文件請求映射到實際文件系統(tǒng)的操作。

Unix/Linux風格的文件系統(tǒng)與VFS文件系統(tǒng)有著相同的概念和很好的對應關系，可以直接從它們的對應結(jié)構(gòu)中構(gòu)造出VFS文件系統(tǒng)的對象。但像FAT或NTFS這樣的非Unix風格的文件系統(tǒng)則必須經(jīng)過封裝，使其符合Unix文件系統(tǒng)的概念結(jié)構(gòu)并滿足VFS的要求，這樣它們就可以像Ext2文件系統(tǒng)那樣和VFS一起工作了，只是在性能上多少會受些影響。

1.?VFS超級塊

VFS超級塊對應實際文件系統(tǒng)的超級塊，它代表一個實際的文件系統(tǒng)。VFS超級塊的內(nèi)容包括：設備標識符、文件系統(tǒng)標志、數(shù)據(jù)塊大小、文件系統(tǒng)的特殊信息、文件系統(tǒng)的使用信息以及超級塊操作集等。設備標識符用來標識一個文件系統(tǒng)；文件系統(tǒng)類型和數(shù)據(jù)塊大小用來描述這個文件系統(tǒng)的基本特征；文件系統(tǒng)的特殊信息對應著該文件系統(tǒng)的實際超級塊，在掛裝時被復制過來；文件系統(tǒng)的使用信息描述文件系統(tǒng)的當前狀態(tài)和緩沖區(qū)指針等；超級塊操作集由一組函數(shù)指針組成，主要實現(xiàn)對文件系統(tǒng)和i節(jié)點的各種管理操作。

VFS為每個已掛裝的文件系統(tǒng)建立一個VFS超級塊，通過它來訪問和管理實際文件系統(tǒng)。VFS超級塊在掛裝文件系統(tǒng)時建立，在文件系統(tǒng)卸載后撤銷。在此期間，由于文件操作會修改VFS超級塊的內(nèi)容，造成與磁盤上的超級塊內(nèi)容不一致，VFS通過周期性地將所有發(fā)生改變的超級塊寫回磁盤來實現(xiàn)超級塊的同步更新。

2.?VFS索引節(jié)點

VFSi節(jié)點對應于實際文件系統(tǒng)中的i節(jié)點，它代表虛擬文件系統(tǒng)中的一個具體的文件。VFSi節(jié)點的內(nèi)容包括了實際的磁盤i節(jié)點的信息，如i節(jié)點號(i_no)、訪問權(quán)限(i_mode)等，另外還包括了當前文件打開狀態(tài)(i_state)以及i節(jié)點操作集指針(i_op)等信息。i節(jié)點操作集用inode_operations結(jié)構(gòu)描述，它由一組函數(shù)指針組成，包含了針對具體文件的各種操作，如建立和打開文件(create)、鏈接文件(link)等。系統(tǒng)為每個打開的文件都建立一個VFSi節(jié)點。在一個文件被打開時，VFS讀入該文件的磁盤i節(jié)點的信息，為它在內(nèi)存建立一個VFSi節(jié)點，并通過它來訪問這個文件。文件關閉后它的VFSi節(jié)點被撤銷。與超級塊相同，i節(jié)點也存在同步更新的問題，所以，VFS也會周期性地將所有發(fā)生改變的i節(jié)點寫回磁盤。

3.?VFS目錄項

從圖6-16所示例子可以看出，在定位一個文件時需要沿該文件的路徑逐級訪問路徑中的各個目錄。如果每次都要從磁盤讀取目錄文件的話，訪問文件的效率就會很低。為了方便查找操作，VFS引入了目錄項(dentry)的概念。目錄項代表的是一個路徑分量。路徑由一系列的分量組成，每個分量都是一個目錄或文件。例如，路徑名/home/zhuge/memo中包含了“/”、“home”、“zhuge”和“memo”4個分量。當VFS首次解析一個路徑名時，它依次讀取路徑中的每個目錄或文件，為它建立一個dentry結(jié)構(gòu)，每個dentry結(jié)構(gòu)都與一個VFSi節(jié)點相連。VFS將這些已建立的dentry結(jié)構(gòu)按目錄關系鏈接在一起，在后續(xù)的文件查找操作中，VFS只需沿dentry的鏈接結(jié)構(gòu)進行查找，可以很快地找到目標文件的dentry結(jié)構(gòu)，然后得到它的VFSi節(jié)點。

dentry的內(nèi)容包含目錄項的文件名(d_name)以及構(gòu)成結(jié)構(gòu)關系的各種指針，還有指向i節(jié)點的指針(d_inode)和目錄項操作集的指針(d_op)等。目錄項操作集用dentry_operations結(jié)構(gòu)描述，它包含了對目錄項的各種操作，如文件名比較(d_compare)、刪除(d_delete)、釋放(d_release)等。

概括地講，目錄項是對文件的邏輯描述，它描述的是文件的邏輯標識(文件名)以及該文件與其他文件的邏輯關系(其在目錄樹中的位置)，而關于該文件的物理描述則包含在它所指向的VFSi節(jié)點中。目錄項與VFSi節(jié)點合起來才能完整地表示一個文件。目錄項可以看作是訪問一個文件的入口，查找文件就是在目錄項鏈表中沿路徑找到目標目錄項的過程。

目錄項并不對應實際文件系統(tǒng)中的任何成分，因此也不存在同步更新的問題。

4.?VFS文件

從用戶(也就是進程)的角度來看，它們直接處理的是文件，它們關心的是文件的訪問模式、讀/寫位置等屬性以及讀、寫等操作，而不是超級塊和i節(jié)點。VFS用file對象來描述進程所關心的文件，每當進程打開一個文件，VFS都將為它建立一個file結(jié)構(gòu)。file結(jié)構(gòu)的內(nèi)容包括文件打開模式(f_mode)、讀/寫位置指針(f_pos)、文件訪問計數(shù)(f_count)、文件的目錄項指針(f_dentry)和文件操作集指針(f_op)等。打開模式、讀/寫位置和訪問記數(shù)描述了文件的當前使用狀態(tài)，目錄項指針用于連接文件的目錄項。文件操作集用file_operations結(jié)構(gòu)描述，它由一組對文件內(nèi)容進行操作的函數(shù)指針組成，包含了標準系統(tǒng)調(diào)用的那些函數(shù)，如read()、wirte()、lseek()等。

VFS的i節(jié)點、目錄項和文件對象的結(jié)構(gòu)關系如圖6-18所示。圖6-18VFS文件的描述結(jié)構(gòu)圖中3個對象完整地表示了一個進程可用的文件。各個對象都帶有自己的操作集，它們的作用是將對該文件執(zhí)行的標準操作映射到實際文件系統(tǒng)的具體操作函數(shù)上。這也是VFS實現(xiàn)標準接口功能的關鍵。6.4.2VFS緩存

為了提高文件訪問的速度，VFS使用了一些復雜的緩存技術。VFS系統(tǒng)設置了目錄項緩存(dcache)、i節(jié)點緩存(icache)和緩沖區(qū)緩存(buffercache)，見圖。這些緩存都是由VFS管理的。設置緩存的目的是為了減少訪問磁盤的次數(shù)，提高文件的查找和讀/寫效率。

文件系統(tǒng)經(jīng)常會訪問某些常用的文件和目錄(比如/usr目錄等)，為避免重復創(chuàng)建i節(jié)點和目錄項的操作，VFS設置了i節(jié)點緩存和目錄項緩存，用于保留已創(chuàng)建的VFSi節(jié)點和dentry結(jié)構(gòu)。每當需要訪問一個i節(jié)點時，系統(tǒng)先在i節(jié)點緩存區(qū)中找，如果找到就直接使用，否則再從磁盤讀入i節(jié)點并構(gòu)造VFSi節(jié)點。同樣，每當需要訪問一個目錄項時，VFS先在目錄項緩存中查找，如果有就直接使用，沒有時再去創(chuàng)建它的dentry結(jié)構(gòu)。文件內(nèi)容的讀/寫是一件耗時的操作。為減少實際訪問磁盤的次數(shù)，VFS設置了緩沖區(qū)緩存。當文件系統(tǒng)與磁盤設備交換文件數(shù)據(jù)時，它們通過緩沖區(qū)緩存對I/O操作進行緩沖，同時將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)緩存起來。當下一次讀/寫文件時，VFS先在緩存區(qū)中查找，若命中則直接使用，否則再啟動設備傳輸數(shù)據(jù)。有關緩沖與緩存技術的進一步介紹見7.2.2小節(jié)。6.4.3VFS與進程的接口

VFS為進程提供了訪問文件系統(tǒng)的統(tǒng)一接口。接口由fs_struct和file_struct結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

fs_struct結(jié)構(gòu)描述進程與文件系統(tǒng)的關系，主要內(nèi)容包括進程使用的創(chuàng)建文件掩碼(umask)、根目錄的目錄項指針(root)和當前目錄的目錄項指針(pwd)等。

file_struct結(jié)構(gòu)體包含了該進程已經(jīng)打開的所有文件的信息，主要是一個fd數(shù)組，數(shù)組的每一項fd[i]是一個指向一個file結(jié)構(gòu)的指針。fd[i]的下標i稱為文件描述符。進程初啟時，自動打開stdin、stdout和stderr三個文件，文件描述符分別為0、1和2。以后每當進程打開一個新文件，系統(tǒng)就在fd數(shù)組中選定第一個空閑的單元來存放指向該文件的file結(jié)構(gòu)的指針，并返回對應的數(shù)組下標作為文件描述符。圖描述了進程和文件系統(tǒng)的接口結(jié)構(gòu)。進程控制塊task_struct中包括兩個指針，一個是fs，指向進程的fs_struct；另一個是files，指向進程的file_struct。進程通過這兩個指針得到有關文件系統(tǒng)和打開文件的信息，再通過它們獲得文件的目錄項、i節(jié)點以及它們的操作集。

圖6-19中右側(cè)3列是VFS系統(tǒng)部分，包括系統(tǒng)打開文件表、目錄項表和i節(jié)點表。它們分別是由系統(tǒng)中所有打開文件的file結(jié)構(gòu)、dentry結(jié)構(gòu)和inode結(jié)構(gòu)形成的鏈表。最左側(cè)是進程PCB。中間的fs_struct結(jié)構(gòu)和file_struct結(jié)構(gòu)起到進程與VFS接口的作用。

fd[0]、fd[1]和fd[2]所連接的file結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)為進程自動打開的文件，通常是終端設備的file結(jié)構(gòu)。如果進程的I/O環(huán)境被重定向，則相應的fd項就改為連接其他文件的file結(jié)構(gòu)。圖6-19進