操作系统学习笔记12 | 从生磁盘到文件

2022 年 9 月 15 日
笔记
编程技术, 计算机系统

下面就是磁盘管理的第3层抽象，从磁盘到文件，上一讲最后留下的盘块号并不符合我们日常使用计算机的习惯，而文件才是我们使用计算机更为常用的方式。这一部分就来细说第3层抽象：生磁盘到文件。这部分将解释如何从文件得到盘块号。

参考资料：

课程：哈工大操作系统（本部分对应 L29 && L30）

磁盘管理共4层抽象，本部分为第3层，前两层在笔记11
实验：操作系统原理与实践_Linux – 蓝桥云课 (lanqiao.cn)
课本：《操作系统原理、实现与实践》-李治军、刘宏伟

1. 第3层抽象描述：为什么引入文件？

引入文件抽象的磁盘也称，File-cooked disk，这正与上一讲中的生磁盘 Raw disk 相对，也是比较有意思的一件事情。

前两层抽象的建立已经让人叹为观止，但是对于普通用户而言，并不了解盘块号这样的专业名词，所以引入更高一层的抽象：文件，这样普通用户操纵磁盘信息时更为方便和舒适。

用户眼中的文件是什么样子的？

在用户眼中，文件本质是字符流；但这显然是一个抽象的概念；
在计算机/操作系统眼中，文件作为数据只能存放在磁盘上。而磁盘是由盘块组成的（操作系统视角），如下图所示；

我们要做的事情就是 建立字符流到盘块的映射关系。而文件抽象的初心是建立文件与盘块号的联系，这意味着这层抽象中操作系统将从文件字符流中推算盘块号。

下面举例说明一下上面提到的映射关系的作用：

对于一个 test.c 文件，我们想要删掉其中的 200 ~ 212 行（这也是日常调试过程经常发生的事情）。

这一段在用户眼中就是连续的字符流，而在OS眼中就对应磁盘的盘块。
因此，从操作系统/磁盘管理的角度来讲，删除，首先需要读出这一段代码，然后在内存中修改后再写入磁盘。
- 找到这段字符对应的盘块（比如789）；
- 按照上篇笔记的读写方式，通过电梯队列将盘块内容读入内存缓冲区；
- 用户进行删除。
- 再通过电梯队列将这段数据写回到磁盘上，再读取该位置磁盘数据时，就不会显示这一段代码了。
这里留一个坑：删除了200~212行，对应磁盘盘块就出现了空白，这段空白怎么处理？
- 空白是文件系统处理的，文件系统会对其进行缩进和调整，然后体现在内存缓冲区中，文件关闭的时候会从缓冲区写入磁盘。
- 文件系统下一篇笔记会讲。

这个映射关系是由操作系统来维护的，对于上层用户不可见，用户层面的是文件字符流操作，而操作系统负责将字符流操作请求解析为盘块号，接着以前2层封装再向下执行。
这里已经很接近我们日常使用计算机的真相了。

2. 映射表：文件存储结构

上文提到，操作系统负责根据映射关系解析文件字符流，这种映射需要一个映射表。映射表需要根据文件在磁盘中的存储结构来建立，下面介绍几种基本的文件存储结构及其映射表建立，我们也可以自行设计其他文件存储结构及映射：

2.1 顺序存储结构

文件使用顺序结构储存在磁盘上，文件字符流被按照顺序存放在连续的盘块里。

比如 1~100 字符放在6号盘块，101~200 字符就放在7号盘块，以此类推。

顺序结构的映射建立如下，如下图下半部分所示：

已知字符数与盘块的存储关系；

如例子中的100个字符1个盘块，这是操作系统内部的参数。
根据字符序号计算盘块序号；

比如访问第202字符，202/100 = 2，可知该字符被存放在该文件对应的第2个盘块里（从0开始）。
文件的 FCB （File Control Block 文件控制块）存储该文件的起始块号，结合盘块序号就能知道对应的字符在那个盘块；

起始块号为6，6+2=8，符合事实。

映射建立后，读写磁盘所需的盘块号就被映射表封装成了文件字符流的修改。联系上一讲的上层接口盘块号，继续向下就实现了磁盘的访问。

顺序存储结构也有不妥之处：

用顺序存储的结构适合文件的直接读写，不适合文件的动态增长，就像C语言数组，不方便插入元素。
当插入内容时，需要整体拷贝挪到另一片空闲空间，涉及整个文件的读出和写入，这开销很大。

所以每种存储结构的特点不同，我们需要根据文件的特性，来选择/设计存储结构。

2.2 链式存储结构

文件使用链式结构储存在磁盘上，当前盘块中存放下一块盘块的位置指针，实际上就是链表在磁盘中的表现形式。如下图所示：

文件控制块 FCB 中需要存放的主要映射信息：第一个磁盘块的盘块号。

利用这个信息可以找到文件的第一个磁盘块；
每个磁盘块中存放下一个盘块号的指针，据此找到第二个磁盘块……

这种链式存储结构就很适合文件动态增长，插入只需要申请空闲盘块写入后插入链表即可。
同时，链式存储结构的读写就会变得复杂，需要顺序遍历才能找到，不能像顺序存储结构那样直接读写；并且，其中一个盘块信息丢失，就可能导致整个文件不可用。

2.3 索引存储结构

联想前面键盘和显示器中 Linux 0.11 文件的读取方式，使用了一个 inode 的结构来存储文件信息并据此进行读取，这显然是一种索引结构。

文件使用索引结构储存在磁盘上时，文件信息可以存放在不连续的磁盘盘块上，FCB 存储索引表，索引表存储盘块号，如下图所示（位置是19）：

将文件字符流分割成多个逻辑块，在磁盘上申请一些空闲物理盘块（无需连续），将这些逻辑块的内容存放进去；
用另外的磁盘块（可能不止1个）建立索引表，按序存放各个逻辑块对应的盘块号；

就像内存管理的页表一样。
当访问202号字符时（还是继续上文例子）：
- 首先我们计算出，这是该文件第2个盘块（从0计数）上的内容；
- 根据文件的FCB中的索引表位置，查找索引表，对应盘块号是1；
- 读入盘块1，就完成了202号字符的读入。

索引存储结构结合了顺式存储和链式存储两者的优点，支持动态增长、插入删除；既能够顺序读写，也能够随机读写。能够充分利用磁盘空间。
索引存储结构的缺点就是引入了索引表，建表和查表会带来额外的开销。但是这一问题可以通过存储技术发展来得到解决。

2.4 多级索引结构

由于上述优点和可解决的缺点，实际操作系统如 Linux 和 Unix，使用的文件存储都是基于索引存储的 多级索引结构。如下图所示：

如果是小型文件，inode 直接作为索引对应盘块，此时类似于上文索引存储；
如果是中等文件，建立一阶间接索引，inode 放置索引表的位置；
如果是大型文件，则建立多阶间接索引，此时可以表示非常大的文件；
inode 的理解：
- 文件数据存储在盘块里，还需要空间存储文件本身的信息，比如创建者、创建日期、大小、位置等；
- 这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为”索引节点”。是一个映射表。
- 参考资料：理解inode – 阮一峰的网络日志，博主我关注了很久，这篇博文写得也很好。同时，这篇博客讲解了更深入的 inode 软链接、硬链接等内容。

可见，如上图这样的索引架构：可以表示很大的文件，很小的文件高效访问，中等大小的文件访问速度也不慢。是一种比较优秀的综合方案。

3. 代码实现：文件使用磁盘

这部分介绍文件层抽象使用磁盘的最核心代码。

其实这部分也可以联系之前学习笔记10-键盘和鼠标的内容一起理解，在驱动外设时已经使用了文件抽象，因此其中的过程跟这里很相似。

3.1 sys_write

用户对文件的写操作，在系统接口层面具体行动是调用write()，内核层功能代码sys_write()如下所示:

// 在fs/read_write.c中
int sys_write(int fd, const char* buf, int count)
{ 
	struct file *file = current->filp[fd];
	struct m_inode *inode = file->inode;
	if(S_ISREG(inode->i_mode)){
        // file 包含了前面缺少的字符流信息
        return file_write(inode, file, buf, count);
    }
}

可见，sys_write 的参数： fd 为文件描述符， buf 为内存缓冲区， count 为写入内存的字符个数；盘块号此时就被封装了。

文件描述符见下文参考资料部分我的总结描述，简言之就是使用 fd 找到对应文件。这部分在学习笔记10-显示器与键盘中的2.3.1与2.3.2 、2.3.3 我也仔细分析过。

这里老师可能是因为讲过，所以讲的很简略。
file=current->filp[fd]; 如果对多进程图像还有点印象，current 就是当前进程的PCB，这里的意思就是 PCB 中的一个数组 flip 的 fd 号位置处存储了一个文件。

flip 数组的来源：是从子进程根据父进程创建时就拷贝过来的（sys_fork），最原始的父进程从操作系统进程拷贝。通过 sys_open 建立从文件inode 到进程PCB的链；

上图摘自我的笔记10，这个链本部分的配图也有。
struct m_inode *inode = file->inode; 获得 inode（文件本身的信息）；
接下来根据字符流file 和 inode 换算盘块号，调用 file_wirte；

3.2 file_write

这部分代码实现 人访问文件的图像向生磁盘读写数据的图像的转换；也就是这里的代码实现本文第1部分思路的实现。

如下图，我们要修改200~212字符，下面的参数意义就是：

```
file_write(inode,file,buf,count);
```
inode 表示文件索引块（索引结构）， file 是 200，buf 是内存缓冲区位置，count 是 12；
根据这些信息，就可以找到相关盘块，放入电梯队列，进行访问。

file_write 的工作过程：

首先要根据 file 找到 200 ，这个目标字符流的开始位置。
- fseek 调整 file 中的读写指针（文件的当前读写位置）；
这个读写指针是字符流形式的一个具体表现，刚打开时读写指针，随着读写，读写指针后移，也就形成了字符流的图像。
- 并根据 count 找到文件读写对应的字符流；
接着根据对应的字符流计算找到盘块号；

根据字符流上的读写位置算出逻辑块号（也就是相对位置） ,由 inode 找到物理盘块号（也对于基址）；具体调用了 create_block 来计算，见 3.3 部分。
接下来的故事其实就很顺利了，与上一篇笔记接到一起：
- 接上第2层抽象，用盘块号、buf等形成的进程请求 request 放入电梯队列。
- 再接上第1层抽象，磁盘中断时从电梯队列中取出请求，解算出CHS，通过 outb 指令，发到磁盘控制器，控制对应的磁盘地址进行读写。

而 file_write 就是上面几步的顶层代码，每一步调用函数来完成：

第一大部分：得到目标字符流位置；
- 通过对目标读写位置pos 进行处理，找到文件的读写位置；
- 记录在 f_pos 中；
第二大部分：根据字符流计算盘块号；（核心）
- create_block，核心代码，计算盘块号 / 扇区号（左移）；
- bread，展开就是 make_request，向磁盘发出请求，放入电梯队列后阻塞；
  
  make_request，见第2层抽象解释。
第三大部分：写完成，对 pos 做相应处理；
- 这里的例子是磁盘写，所以写操作完成后，应当增加pos，相当于向后移动，形成字符流。
具体见代码注释：

int file_write(struct m_inode *inode, struct file *filp, char *buf, int count)
{ 
    // pos 代表当前位置
	off_t pos;
    
    //1.得到字符流的读写位置，也就是200
	if(filp->f_flags&O_APPEND){
   	    //如果是追加，pos从文末开始，i_size就是文件大小。
		pos=inode->i_size;
    }
    else{
        //如果不是，就从上一次读写的位置继续。
        pos=filp->f_pos;
    }
   
	.....
    //2. 下面是核心代码，根据读写位置找到盘块号。
	while(i<count)
	{
        //算出对应的块
		block=create_block(inode, pos/BLOCK_SIZE);//起始位置和偏移量
        //发送请求，放入电梯队列，bread展开就是 make_request。
		bh=bread(inode->i_dev, block);//放入电梯队列后阻塞
        
        //3.修改pos
        //写入数据后，修改 pos
		int c=pos%BLOCK_SIZE; char *p=c+bh->b_data; 
        // pos指向文件的读写位置(字符流的末尾位置)
		bh->b_dirt=1; c=BLOCK_SIZE-c; pos+=c; 
		... 
		//一块一块地拷贝用户字符， 并且释放写出
		while(c-->0) *(p++)=get_fs_byte(buf++);
		brelse(bh); 
	}
	filp->f_pos=pos; 
}

3.3 create_block

计算盘块号，这是第3层文件抽象的核心工作。

调用 create_block 的这段代码：

while(i<count){
    //create=1的_bmap，没有映射时创建映射
	block=create_block(inode, pos/BLOCK_SIZE);  
	bh=bread(inode->i_dev, block);
    ...

create_block 调用了 _bmap，旨在建立 2.4 部分的多级索引结构/映射表。

强调：block 是逻辑块，课程此处不够清晰。block – 7是因为第7块存储在一重间接的指向的第0个索引表，以此类推
- 当 block < 7 ，对应小文件部分，0-6块: 直接数据块；
  
  此时新申请数据块时，就在 inode 中新批一块来存放序号。
- 当 7 <= block < 512，建立一阶间接索引，注意这里的数据大小换算关系；
  - 索引表中一个盘块号的存储需要 2 个字节，2 个字节 16 位；
  - 索引表本身存储需要 1 个盘块。
  - 1 个盘块 = 2 个扇区 = 1 K = 1024 Byte
  - ∴ 一个索引表盘块可以放 1024 /2 = 512 个盘块号
  - 当盘块 block < 512 时，一阶索引完全就够用了。
  此时再申请新的数据块时，逻辑块号需要放到一阶索引表的下一位（顺序）；
  
  我在学习这部分时感觉不是很直观，下图表述一间接索引的情况较好：
- 很显然，当 block >=512，索引表也需要建立二级索引表，因此引入多阶间接索引。

int _bmap(m_inode *inode, int block, int create)
{ 
    if(block<7){
    	if(create&&!inode->i_zone[block]){
            // 新申请一个数据块，返回它的块号放在i_zone[block]中
            //这样0~6的inode就是直接索引数据
        	inode->i_zone[block]=new_block(inode->i_dev);
        	inode->i_ctime=CURRENT_TIME;
        	inode->i_dirt=1;
    	}
        // 0~6 部分建表完成。
		return inode->i_zone[block];
    }
    //
	block-=7;
    if(block<512){  //一个盘块号2个字节
		bh=bread(inode->i_dev,inode->i_zone[7]);
		return (bh->b_data)[block];
    } 
    ...

到这里从文件到盘块的映射表建立完成，接下来就会回到 file_write 中继续 bread 向磁盘发出请求，接入前2层抽象。

3.4 inode抽象意义的理解

上面3.3 中 inode 可以作为映射表，从文件对应盘块号；

inode 还可以视为 文件的抽象存在：

如果是普通文件，需要根据 inode 里面的映射表来建立磁盘号到字符流直接的映射；

struct d_inode{ 
    unsigned short i_mode;...
	unsigned short i_zone[9];
}//(0-6):直接数据块，(7):一重间接索引，(8):二重间接索引

如果是特殊文件如设备文件，不需要inode去完成映射，inode存放主设备号、从设备号：

// 读入内存后的inode，并不是设备文件和普通文件的该结构体不同
struct m_inode{ 
    //前几项和d_inode一样!
    //文件的类型和属性
    //i_mode 存放 设备文件和普通文件的标志位。
	unsigned short i_mode; 
	...
    //指向文件内容数据块  
	unsigned short i_zone[9]; 
    //多个进程共享的打开这个inode，有的进程等待…
	struct task_struct *i_wait;  
	unsigned short i_count;
	unsigned char i_lock;
	unsigned char i_dirt;
    ... 
}

下面就可以根据 inode 区分文件的属性和类型:

int sys_open(const char* filename, int flag)
{ 
	if(S_ISCHR(inode->i_mode)) //字符设备，设备文件
	{ 
        // 由于是设备文件，zone数组不再用于映射表，用于设备号存储
		if(MAJOR(inode->i_zone[0])==4)
		current->tty=MINOR(inode->i_zone[0]);
	}
	...
}

// emm 此处解释一下上面代码的 MAJOR 和 MINOR
// MAJOR 取高字节
#define MAJOR(a)(((unsigned)(a))>>8)) 
// MINOR 取低字节
#define MINOR(a)((a)&0xff)

理解到这里，整个文件视图就可以建立了。

3.x 参考资料

本部分用于记录一些需要拓展而不想占用正文篇幅的资料。

fd，File Descriptor，文件描述符：
- 这一点在学习笔记10 的 sys_open 处有所提及。
- 简称 fd，是系统调用接口 open 的返回值，当应用程序请求内核打开/新建一个文件时，就会调用 open 执行 sys_open；
- fd 本质上就是一个非负整数，读写文件也是需要使用这个文件描述符来指定待读写的文件的。
- 理解文件描述符 – 简书 (jianshu.com)
- Linux文件操作/文件描述符

4. 简单总结

4.1 文件视图/整体流程

首先，用户要操作文件，分为两条路：

第一条：读写普通磁盘数据文件。

根据系统接口层的 fd 找到文件表，再读取对应的 inode，据此接入3层抽象，顺利读取磁盘；

如果C语言基础不好，对于用户在应用层的文件操作不熟练，我再提一下：
- ```
fd = open("test.c");
read(fd,...);
```
  可见，整体流程是：路径名或文件名->inode (fd)->盘块号->放入电梯队列，取出时解算CHS->out发到磁盘控制器驱动电磁效应读写数据。
- 第3层抽象解释的是 read 这一句，即已知 fd 如何找到文件位置；拿到对应的 inode 接入已经掌握的抽象层进行读取。
- 目前缺乏的就是从文件名test.c 到 fd 和 inode 的联系，这是第4层抽象。
注意：如何找到下图文件表？如何打开文件（open那一句代码）？
- 这就是下一篇笔记会讲到的第4层抽象。
- 到文件表是进程PCB与文件表的链接，打开文件是建立文件名与 inode 的来链接；
第二条：读写设备文件

这里前面学习笔记10也详细介绍过了，inode不再用于映射，而是用于操作函数的选择，根据不同的函数最后向设备控制器发送对应指令。

4.2 实验8介绍

实验 8 要实现一个 proc 文件，实现的效果是：输入 cat /proc/psinfo，打出如下图所示的进程情况：

Linux0.11中这些进程信息存放在 PCB 中，也就是说，并不在磁盘上，而 cat 命令要打开一个文件。所以要从PCB中取出相关信息先放到内存中再读写放到磁盘文件中（见下图 cat 的一些程序，作用是持续打印，知道文件中没有信息）。

要实现这样的效果，还是沿着 4.1 中的思路，不过要将该文件的 i_mode 设置为 proc 设备（S_ISPROC(inode -> i_mode); 接下来调用 proc_read() 从 PCB 中的 task_struct 中取出数据拷贝给 buffer 内存缓冲区。

执行读内存的相关操作，就实现了要求的效果。

具体实现代码框架如下图所示：

初始化时 mknod 创建设备，设备设计为 S_IFPROC 设备。
sys_read 中对文件类型即 i_mode 进行判断，如果是，那就 proc_read.
从 PCB 中取出相关信息放到内存上，传到用户态内存；
修改 pos 指针，将这些信息不断传递，形成字符流。

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