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27-FAT和UNIX文件系统.md

File metadata and controls

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FAT 和 UNIX 文件系统

Overview

复习：文件系统 API

  • 目录 (索引)
    • “图书馆” - mkdir, rmdir, link, unlink, open, ...
  • 文件 (虚拟磁盘)
    • “图书” - read, write, mmap, ...
  • 文件描述符 (偏移量)
    • “书签” - lseek

本次课回答的问题

  • Q: 如何实现这些 API？

本次课主要内容

  • FAT 和 ext2/UNIX 文件系统

一、回到数据结构课

1、什么是文件系统实现？

在一个 I/O 设备 (block device) 上实现所有文件系统 API

  • bread(int id, char *buf);
  • bwrite(int id, const char *buf);
    • 假设所有操作排队同步完成
    • (可以在 block I/O 层用队列实现)

目录/文件 API

  • mkdir, rmdir, link, unlink
  • open, read, write, stat

2、回到数据结构课……

文件系统就是一个数据结构 (抽象数据类型；ADT)

  • 只是和数据结构课上的假设稍有不同

数据结构课程的假设

  • 冯诺依曼计算机
  • Random Access Memory (RAM)
    • Word Addressing (例如 32/64-bit load/store)
    • 每条指令执行的代价是O(1)
      • Memory Hierarchy 在苦苦支撑这个假设 (cache-unfriendly 代码也会引起性能问题)

文件系统的假设

  • 按块 (例如 4KB) 访问，在磁盘上构建 RAM 模型完全不切实际

3、数据结构的实现

Block device 提供的设备抽象

struct block blocks[NBLK]; // 磁盘
void bread(int id, struct block *buf) {
  memcpy(buf, &blocks[id], sizeof(struct block));
}
void bwrite(int id, const struct block *buf) {
  memcpy(&blocks[id], buf, sizeof(struct block));
}

在 bread/bwrite 上实现块的分配与回收 (与 pmm 类似)

int balloc(); // 返回一个空闲可用的数据块
void bfree(int id); // 释放一个数据块

在 balloc/bfree 上实现磁盘的虚拟化

  • 文件 = vector<char>
    • 用链表/索引/任何数据结构维护
    • 支持任意位置修改和 resize 两种操作

在文件基础上实现目录

  • “目录文件”
    • 把 vector<char> 解读成 vector<dir_entry>
    • 连续的字节存储一个目录项 (directory entry)

二、File Allocation Table (FAT)

1、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？

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2、FAT 文件系统中的文件

int balloc(); // 返回一个空闲可用的数据块
void bfree(int id); // 释放一个数据块
vector<struct block *> file; // 文件
// 文件的名称、大小等保存在目录中

注意到这是相当小的文件系统

  • 树状的目录结构
  • 系统中以小文件为主 (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

3、用链表存储数据：两种设计

  1. 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 2k; 单纯的 lseek 需要读整块数据
  2. 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

哪种方式的缺陷是致命、难以解决的？

方法一需要将整个磁盘都读取一遍，才能将空闲的block找到

方法二集中存放指针的话，集中存放区域容易损坏

4、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)

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5、“File Allocation Table” 文件系统

img

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
}

6、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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7、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？

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8、Talk is Cheap, Show Me the Code!

首先，观察 “快速格式化” (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：fatree.c

另一个有趣的问题 (M5 - frecov)

  • 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”

9、FAT: 性能与可靠性

性能

  • ＋ 小文件简直太合适了
  • －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 220 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
    • 额外的同步开销
  • 损坏的 cluster 在 FAT 中标记

三、ext2/UNIX 文件系统

1、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

2、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

3、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

4、ext2 inode

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5、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

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6、ext2: 性能与可靠性

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

总结

本次课回答的问题

  • Q: 如何在磁盘上实现文件系统 API？
    • “图书馆” - mkdir, rmdir, link, unlink, open, ...
    • “图书/书签” - read, write, mmap, lseek, ...

Takeaway messages

  • 文件系统实现 = 自底向上设计实现数据结构
    • balloc/bfree
    • FAT/inode/...
    • 文件和目录文件