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FAT 和 UNIX 文件系统

本讲内容：

  • 文件系统实现分析
  • FAT 文件系统
  • UNIX 文件系统

磁盘上的数据结构

文件系统实现

文件的实现

  • 文件 = “虚拟” 磁盘
  • API: read, write, ftruncate, ...

目录的实现

  • 目录 = 文件/目录的集合
  • API: mkdir, rmdir, readdir, link, unlink, ...

思考题：mount 如何实现？

  • 最好由操作系统统一管理 (而不是由具体的文件系统实现)

如果是《数据结构》课？

借助 RAM (Random Access Memory) 自由布局目录和文件

  • FileSystem 就是一个 Abstract DataType (ADT)
  • Memory Hierarchy 在苦苦支撑 “random access” 的假象
class FSObject {
};

class File: FSObject {
  std::vector<char> content;
};

class Directory: FSObject {
  std::map<std::string,FSObject*> children;
};
  • 实现上面的 API 完全就是个课后习题

回到《操作系统》课

没有 Random Access Memory

  • 只有 block device 和两个 API（被迫读写连续的一块数据）
  • bread(int bid, struct block *b);
  • bwrite(int bid, struct block *b);

如果用 block device 模拟 RAM，就会出现严重的读/写放大

  • 我们需要更适合磁盘的数据结构实现 read, write, ftruncate, ...

File Allocation Table (FAT)

让时间回到 1980 年

5.25" 软盘：单面 180 KiB

  • 360 个 512B 扇区 (sectors)
  • 在这样的设备上实现文件系统，应该选用怎样的数据结构？

img

需求分析

相当小的文件系统

  • 目录中一般只有几个、十几个文件
  • 文件以小文件为主 (几个 block 以内)

文件的实现方式

  • struct block *的链表
  • 任何复杂的高级数据结构都显得浪费

目录的实现方式

  • 目录就是一个普通的文件 (虚拟磁盘；“目录文件”)
  • 操作系统会对文件的内容作为目录的解读
  • 文件内容就是一个 struct dentry[];

用链表存储数据：两种设计

在每个数据块后放置指针

  • 优点：实现简单、无须单独开辟存储空间
  • 缺点：数据的大小不是 \(2^k\); 单纯的 lseek 需要读整块数据

将指针集中存放在文件系统的某个区域

  • 优点：局部性好；lseek 更快
  • 缺点：集中存放的数据损坏将导致数据丢失

集中保存所有指针

集中存储的指针容易损坏？存n 份就行！

  • FAT-12/16/32 (FAT entry，即 “next 指针” 的大小)

img

FAT文件系统

RTFM 得到必要的细节

  • 诸如 tutorial、博客都不可靠，还会丢失很多重要的细节
if (CountofClusters < 4085) {
  // Volume is FAT12 (2 MiB for 512B cluster)
} else if (CountofCluster < 65525) {
  // Volume is FAT16 (32 MiB for 512B cluster)
} else {
  // Volume is FAT32
}

FAT: 链接存储的文件

“FAT” 的 “next” 数组

  • 0: free; 2...MAX: allocated;
  • ffffff7: bad cluster; ffffff8-ffffffe, -1: end-of-file

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目录树实现：目录文件

以普通文件的方式存储 “目录” 这个数据结构

  • FAT: 目录 = 32-byte 定长目录项的集合
  • 操作系统在解析时把标记为目录的目录项 “当做” 目录即可
  • 可以用连续的若干个目录项存储 “长文件名”
  • 思考题：为什么不把元数据 (大小、文件名、……) 保存在 vector<struct block *> file 的头部？img

Talk is Cheap, Show Me the Code!

首先，观察 “快速格式化” (/usr/sbin/mkfs.fat) 是如何工作的

  • 老朋友：strace

然后，把整个磁盘镜像 mmap 进内存

  • 照抄手册，遍历目录树 (fat-tree demo)，试试镜像

另一个有趣的问题：文件系统恢复

  • 快速格式化 = FAT 表丢失
  • 所有的文件内容 (包括目录文件) 都还在
  • 只是在数据结构眼里看起来都是 “free block”
  • 首先需要猜出文件系统的参数 (SecPerClus, BytsPerSec, FATSz32, BPB_RootClus, ...)
  • 本质上是 cluster 的分类和建立 “可能后继关系”

FAT: 性能与可靠性

性能

  • 优点：小文件简直太合适了
  • 缺点：但大文件的随机访问就不行了
  • 4 GB 的文件跳到末尾 (4 KB cluster) 有 220220 次链表 next 操作
  • 缓存能部分解决这个问题
  • 在 FAT 时代，磁盘连续访问性能更佳
  • 使用时间久的磁盘会产生碎片 (fragmentation)
  • malloc 也会产生碎片，不过对性能影响不太大

可靠性

  • 维护若干个 FAT 的副本防止元数据损坏 (额外的开销)
  • 损坏的 cluster 在 FAT 中标记

ext2/UNIX 文件系统

更好的文件系统：需要做到什么？

不能 “尽善尽美”，但可以在 “实际 workload” 下尽可能好

Summary Findings
Most files are small Roughly 2K is the most common size
Average file size is growing Almost 200K is the average
Most bytes are stored in large files A few big files use most of the space
File systems contains lots of files Almost 100K on average
File systems are roughly half full Even as disks grow, file systems remain ~50% full
Directories are typically small Many have few entries; most have 20 or fewer

ext2/UNIX 文件系统

按对象方式集中存储文件/目录元数据

  • 增强局部性 (更易于缓存)
  • 支持链接

为大小文件区分 fast/slow path

  • 小的时候应该用数组：连链表遍历都省了
  • 大的时候应该用树 (B-Tree; Radix-Tree; ...)：快速的随机访问

ext2: 磁盘镜像格式

对磁盘进行分组

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“superblock”：文件系统元数据

  • 文件 (inode) 数量
  • block group 信息
  • ext2.h 里有你需要知道的一切

ext2 inode

  • DIrect Blocks：直接块，数组；
  • Indirect blocks：一级块索引；
  • Double Indirect：二级块索引；

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ext2 目录文件

与 FAT 本质相同：在文件上建立目录的数据结构

  • 注意到 inode 统一存储
  • 目录文件中存储文件名到 inode 编号的 key-value mapping

img

ext2: 性能与可靠性

局部性与缓存

  • bitmap, inode 都有 “集中存储” 的局部性
  • 通过内存缓存减少读/写放大

大文件的随机读写性能提升明显 (O(1))

  • 支持链接 (一定程度减少空间浪费)
  • inode 在磁盘上连续存储，便于缓存/预取
  • 依然有碎片的问题

但可靠性依然是个很大的问题

  • 存储 inode 的数据块损坏是很严重的

课后习题/编程作业

1. 阅读材料

教科书 Operating Systems: Three Easy Pieces./book_os_three_pieces/03-dialogue-virtualization.pdf)