文件系统即数据结构
文件系统本质上是磁盘上的数据结构，包含树形目录结构和两个分配池（inode 和块）。
MIT 6.1810 · 第 17 课 · rtm
文件系统是操作系统中最重要的抽象之一。本节课探讨文件系统的设计、实现与性能优化，以 xv6 的文件系统为案例进行深入分析。
文件系统提供了以下核心功能：
fd = open("x/y", -);
write(fd, "abc", 3);
link("x/y", "x/z"); -- 现在文件有两个名字！
unlink("x/y");
write(fd, "def", 3);
close(fd);
// 文件 y/z 包含 abcdef| 选择 | Unix 决策 | 其他可能 |
|---|---|---|
| 对象 | 文件 | 原始磁盘空间、数据库记录 |
| 内容 | 字节数组 | 行/列、BTree |
| 大小 | 可随时追加 | 预分配 |
| 命名 | 人类可读 | 对象 ID |
| 组织 | 目录层次结构 | 扁平命名空间 |
| 同步 | 无（无锁、无版本） | 事务、锁 |
fd 指向的是什么？
硬链接的含义：
系统调用层
↓
名称 | 文件描述符 (FDs)
↓
inode 层
↓
inode 缓存
↓
日志 (log)
↓
块缓存 (buffer cache)
↓
virtio_disk 驱动| 类型 | 特点 | 随机访问 | 顺序访问 |
|---|---|---|---|
| 机械硬盘 (HDD) | 大容量、低成本、慢 | 5-10ms（寻道+旋转） | ~100 MB/s |
| 固态硬盘 (SSD) | 更快、更贵、复杂 | ~100 μs | ~500 MB/s |
块号 0 1 2 33 46 47+
内容 未用 超级块 日志 inode 位图 数据块
(31块) (数组) (使用表) (文件/目录内容)// kernel/fs.h
struct dinode {
short type; // 文件类型（空闲、文件、目录、设备）
short nlink; // 链接数
uint size; // 文件大小
uint addrs[12+1]; // 直接块 + 1 个间接块指针
};逻辑块号 = 8000 / BSIZE (= 1024) = 7
inode.addrs[7] 存储了磁盘块号// 目录项结构 (dirent)
struct dirent {
ushort inum; // inode 号
char name[14]; // 文件名（最多 14 字节）
};
// 空闲目录项的 inum == 0$ echo > x
bwrite 34 ialloc // 分配 inode
bwrite 34 iupdate // 更新 inode（设置 nlink）
bwrite 47 writei // 写入目录项
bwrite 33 iupdate // 更新目录 inode
bwrite 34 iupdate // itrunc 新 inode$ echo a > x
bwrite 46 balloc // 在位图中分配一个块
bwrite 914 bzero // 清零分配的块
bwrite 914 writei // 写入数据
bwrite 34 iupdate // 更新 inode（长度和新块）$ rm x
bwrite 47 writei // 删除目录项
bwrite 33 iupdate // 更新目录 inode
bwrite 34 iupdate // 减少链接数
bwrite 46 bfree // 释放数据块
bwrite 34 iupdate // itrunc：清零长度
bwrite 34 iupdate // 标记 inode 为空闲prev ... head ... next
bget 重用 bcache.head.prev（"尾部"）
brelse 将块移到 bcache.head.next这是一种近似的 LRU 策略。
路径名查找可能涉及多个磁盘块：
并发挑战：unlink 可能与 lookup 同时发生
解决方案 (namex)：
文件系统本质上是磁盘上的数据结构，包含树形目录结构和两个分配池（inode 和块）。
Unix API 的每个选择（字节数组、目录层次、无同步）都深刻影响了文件系统的实现。
磁盘很慢，块缓存和 inode 缓存是性能的关键。
文件系统操作通常涉及多个磁盘写入，崩溃可能导致不一致——这是下节课的主题。
Q1：xv6 文件系统的最大文件大小是多少？
Q2：为什么文件系统需要 inode？
Q3：块缓存的替换策略是什么？