*** 作系统（4） -- 文件管理、IO管理

引入—为解决变长记录文件的顺序存取低效问题。

索引文件—为变长记录文件建立一张索引表。

与文件管理系统和文件集合相关联的是文件目录。包含文件的相关信息，如：属性、位置和所有权等。

对目录管理的要求如下：

从文件管理角度看，文件由FCB和文件体（文件本身）两部分组成。

文件控制块是 *** 作系统为管理文件而设置的数据结构，存放了文件的有关说明信息，是文件存在的标志。

FCB 中的信息：

文件目录

把所有的FCB组织在一起，就构成了文件目录，即文件控制块的有序集合。

目录项

构成文件目录的项目（目录项就是FCB）

目录文件

为了实现对文件目录的管理，通常将文件目录以文件的形式保存在外存，称为目录文件。

所有的用户使用一个目录

为每个用户创建一个单独的目录

在两级目录中若允许用户建立自己的子目录，则形成3级或多级目录结构（即树型目录结构）

一盘磁带、一张光盘片、一个硬盘分区或一张软盘片都称为一 卷 ，卷是存储介质的物理单位。一个卷可以保存一个文件或多个文件，也可以一个文件保存在多个卷上。

块 是存储介质上连续信息所组成的一个区域，也叫做物理记录。块是主存储器和辅助存储设备进行信息交换的物理单位，每次总是交换一块或整数块信息。

每个文件在磁盘上占用一组连续的物理块。磁盘地址构成一个线性空间，文件逻辑块顺序与文件物理块顺序相同。

磁盘块分配方法：

可以通过合并(consolidation)将一个文件的各个簇连续存放，以提高I/O访问性能。

链接表FAT，每项保存下一块链接地址，整个磁盘仅设置一张。

链接分配方式虽然解决了连续分配方式所存在的问题， 但又出现了另外两个问题， 即：

为每一个文件分配一个索引块（表），再把分配给该文件的所有块号，都记录在该索引块中。故索引块就是一个含有许多块号地址的数组。

优点 :

缺点 :

索引顺序文件

程序直接控制方式 是指由程序直接控制内存或CPU和外围设备之间进行信息传送的方式。通常又称为“忙—等”方式或循环测试方式。

（1）把一个启动位为“1”的控制字写入该设备的控制状态寄存器。

（2）将需输出数据送到数据缓冲寄存器。

（3）测试控制状态寄存中的“完成位”，若为0，转（2），否则转（4）。

（4）输出设备将数据缓冲寄存器中的数据取走进行实际的输出。

（1）进程需要数据时，将允许启动和允许中断的控制字写入设备控制状态寄存器中，启动该设备进行输入 *** 作。

（2）该进程放弃处理机，等待输入的完成。 *** 作系统进程调度程序调度其他就绪进程占用处理机。

（3）当输入完成时，输入设备通过中断请求线向CPU发出中断请求信号。CPU在接收到中断信号之后，转向中断处理程序。

（4）中断处理程序首先保护现场，然后把输入缓冲寄存器中的数据传送到某一特定单元中去，同时将等待输入完成的那个进程唤醒，进入就绪状态，最后恢复现场，并返回到被中断的进程继续执行。

（5）在以后的某一时刻， *** 作系统进程调度程序选中提出的请求并得到获取数据的进程，该进程从约定的内存特定单元中取出数据继续工作。

DMA方式又称直接内存访问（Direct Memory Access）方式。其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。DMA采用总线周期挪用实现I/O。

缓冲（Buffering） - 在设备之间传送数据时，（暂时）保存数据。

单缓冲是 *** 作系统提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个进程发出一个I/O请求时， *** 作系统便在主存中为之分配一个缓冲区，该缓冲区用来临时存放输入/输出数据。

设备先把数据写入缓冲区，然后用户进程从缓冲区读走数据。

从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。

缓冲区可以在收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种方式下工作。

F指向队首，L指向队尾。（emq指空缓冲区队列，inq装满输入数据的输入缓冲队列 ，out装满输出数据的输出缓冲队列 ）

文件IO的分层设计

先看图：

malloc的buf对应application buffer，用户空间；

fwrite是系统提供的最上层接口，也是最常用的接口。它在用户进程空间开辟一个CLib buffer，将多次小数据量相邻写 *** 作(application buffer)先缓存起来，合并，最终调用write函数一次性写入（或者将大块数据分解多次write调用）；

write函数通过调用系统调用接口，将数据从应用层copy到内核层，所以write会触发内核态/用户态切换。当数据到达page cache后，内核并不会立即把数据往下传递。而是返回用户空间。数据什么时候写入硬盘，有内核IO调度决定，所以write是一个异步调用

read调用是先检查page cache里面是否有数据，如果有，就取出来返回用户，如果没有，就同步传递下去并等待有数据，再返回用户，所以read是一个同步过程；

fclose隐含fflush函数,fflush只负责把数据从Clibbuffer拷贝到pagecache中返回，并没有刷新到磁盘上，刷新到磁盘上可以使用fsync函数；

即便fsync仍有可能没写到磁盘上，一是磁盘有缓存，二是即便关闭缓存也可能为了跑分没有真正关闭；

** 一致性

fwrite使用用户进程私有空间，多线程必然需要做同步。write如果写大小小于PIPE_BUF，是原子 *** 作。根据已知信息，内核所做仅限于此，如果两个进程同时写文件，可能出现错乱，需要实测。

** 安全性

从前面的分层设计来看，使用fsync函数可以最大限度保障安全写入，但仍然没有绝对的安全性。

另外一张图

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