UNIX操作系统设计-文件的内部表示

《UNIX操作系统设计》第四章

UNIX系统中每个文件都有一个唯一的索引节点，记录了进程存取文件所必须的信息，如文件所有者、存取权限、文件长度、文件数据在文件系统中的位置。

每个路径名唯一指明一个文件，内核把路径名转换成文件的索引节点。

本章算法层次在高速缓冲算法之上。

索引节点

定义

索引节点有两份，在磁盘上和内存上，在内存上缓冲是便于内核操作，提高效率，这里的缓冲采用的第三章高速缓冲。

索引节点以静态形式存在于磁盘上，核心把它们读进内存索引节点表中以操纵它们，索引节点字段组成：

• 文件所有者标识号
• 文件类型：正规类型、目录类型、字符设备类型、块设备类型、管道类型
• 文件存取许可权：chmod，Linux/Unix 的文件调用权限分为三级 : 文件所有者（Owner）、用户组（Group）、其它用户（Other Users）。
• 文件存取时间
• 文件联结数目：本目录树中有多少文件名指向该文件
• 文件数据的磁盘地址明细表
• 文件大小

并不标明该文件的路径名

内存中的索引节点除了磁盘索引节点那些字段外，还包含：

• 内存索引节点状态：是否上锁，是否有进程在等它变为开锁等等
• 含有该文件系统的逻辑设备号
• 索引节点号：索引节点存储在磁盘上的线性数组中，内核需要用下标来标识这个节点号。
• 指向其他内存索引节点的指针：内核也会把索引节点链接到散列队列和空闲表上。
• 引用数：该文件的活跃实例数目（如open），仅当索引节点的引用计数为0时才位于空闲表上，标识内核可以把这个内存索引节点重新分配给另一个磁盘索引节点。

对索引节点的存取 iget

iget分配一个索引节点的内存拷贝，与getblk算法几乎时完全相同的。内核把设备号和索引节点号映射到一个散列队列上，便于搜索找到索引节点。如果找不到，就从空闲表分配，并上锁。

然后就在磁盘中找对应的磁盘块号，块号 = （int（索引节点号-1）/每块的索引节点数目）+ 索引节点表的起始块号

知道块号后，利用bread从缓冲区读块，计算索引节点在块中的字节偏移量：((索引节点号-1) mod (每块的索引节点数目))*磁盘索引节点大小。

找到后，拷贝到内存索引节点表中，放到正确的散列队列，引用计数设置为1

释放索引节点 iput

当内核释放一个索引节点时（iput）,将他的索引节点引用计数减1，当减为0，且内存拷贝和磁盘不同，则内核需要往磁盘写入。内核还会把该索引节点放到空闲索引节点表中，当再次需要时，可以高效把该节点加入高速缓冲。如果联结数减为0，则释放与该文件有关的数据块，并将索引节点变为空闲。

正规文件的结构

把文件字节流的字节偏移量到物理磁盘块号的转换 bmap

例子：

两个发展：

• 允许使用大磁盘块，一个磁盘块可以包含若干个文件的分段
• 把文件数据存储到索引节点中。

目录

目录是文件，记录了一系列目录表项，每个表项由一个索引节点号和一个包含在这个目录中的文件名组成。

路径名到索引节点的转换 namei

如何根据路径名搜索索引节点

超级块

描述文件系统的状态，有多大，能存多少文件等等。

超级块字段组成：

• 文件系统的规模
• 文件系统中空闲块的数目
• 在文件系统上可用的空闲块表
• 空闲块表中下一个空闲块的下标
• 索引节点表的大小
• 文件系统中空闲索引节点数目
• 文件系统中空闲索引节点表
• 空闲索引节点表中下一个空闲索引节点的下标
• 空闲块表的锁字段和空闲索引节点表的锁字段
• 用来指示出超级块已经被修改了的标志

索引节点的分配

文件系统包含一个索引节点线性表，类型字段为0，说明这个索引节点是空闲的。当一个进程需要一个新的索引节点，如果内核搜索索引节点表，以寻找一个空闲节点，但这样代价太高了，至少对每个索引节点都需要一个读操作（可能从磁盘）。为了改善性能，文件系统超级块包含一个数组，以便把文件系统从空闲的索引节点号缓存起来。

分配索引节点ialloc

把一个磁盘索引节点号分配给一个新建立的文件

铭记的索引节点：如果超级块中没有空闲，即去磁盘搜索，当搜索到超级块装不下时停止搜索，此时记录下最高序号的索引节点，即下次搜索时从铭记索引节点开始。

ifree 释放索引节点

磁盘块的分配

文件系统的超级块包含一个用来把文件系统中的空闲磁盘块号高速缓冲起来的数组。

mkfs把一个文件系统的数据块组织到一张链表中，表中每个链是一个磁盘块大小，块中包含的是一个数组，数组的分量给是空闲磁盘块号，一个分量是下一个链表的块号。

文件系统块分配 alloc

功能：把超级块空闲磁盘块号表中下一个可用的块分配出去。

当分配的是超级块高速缓冲中的最后一个可用块时，内核把他指向的块读出，填充到这个链表里，再加入一条新链，示例d。

释放磁盘块free

与分配磁盘块算法相反。

如果超级块未满，新释放的块的块号就被放到超级块表中。

如果超级块表满了，则新释放的块就变成一个链接块，内核把超级块表写到这个块上，然后把这个块写到磁盘上，然后把新释放的块的块号放到超级块表中作为下一个链表的指针，块号就成了表中唯一成员。

例子：

索引节点和磁盘块

两者的分配和释放算法类似，内核都使用超级块作为高速缓冲

内核维护的有一个块号链接表，文件系统中的每个空闲块号都作为其中的元素。

对索引节点不存在这样的链表，原因：

• 内核观察到文件类型字段被清除，则索引节点空闲。
• 一个磁盘块可以很容易容纳大的空闲块号表。
• 用户消耗磁盘块资源比消耗索引节点要快，所以快速得到空闲磁盘块更重要。

其他文件类型

管道文件、特殊文件

管道文件的数据时短暂的，先进先出，下一章介绍

特殊文件包括：块设备特殊文件、字符设备特殊文件，第10章介绍