文件系統管理和優化

前幾章講了文件系統的相關內容，在真實的世界中，文件是存放在磁盤等大容量存儲設備上的。本章來討論磁盤管理的一些問題。

目錄

1 磁盤空間管理

2 文件系統備份

3 文件系統一致性

4 文件系統性能

5 磁盤碎片整理

1 磁盤空間管理

把文件放在磁盤中，有兩種策略：
1. 爲一個文件分配連續的磁盤空間。
2. 把文件分成很多個塊，磁盤空間也分成很多個塊，來存儲文件。

幾乎所有的文件系統都把文件分割成固定大小的塊來存儲。
這就出現幾個問題：

（1）塊大小

跟內存管理中的頁面大小的分配一樣，到底多大合適？
塊太大，浪費空間。塊太小，浪費時間。

從歷史觀點來說，文件系統將大小設在1~4KB之間，但是隨着磁盤超過了1TB，還是將塊的大小提升到了64KB並且接受浪費空間。

（2）空閒塊的管理

空閒塊是未分配給文件和目錄的空間。

選定了塊大小，下一個問題就是怎樣跟蹤空閒塊。有兩種方法：
1）位圖
n塊磁盤需要n位位圖。
佔用空間小。

2）磁盤塊鏈表
鏈表的每個塊中包含儘可能多的空閒磁盤號。
佔有空間大。

（3）磁盤配額

多用戶操作系統提供一種強制性磁盤配額機制，每個用戶擁有一定數量的文件和塊，不能超過這個配額。

打開文件表裏有一個配額指針，指向配額表。
每個配額表記錄了每個用戶的配額，每往文件添加一塊時，文件所有者所有的數據塊的總數也增加，引發對配額硬限制和軟限制的檢查。

2 文件系統備份

將所有磁盤文件複製到備份介質，稱爲完全備份。

自上一次備份起，更改的文件備份到備份介質，稱爲增量備份。

**物理轉儲：**從磁盤的第0塊開始，將全部的磁盤塊按序輸出到磁帶上。
**邏輯轉儲：**從一個或幾個指定的目錄開始，遞歸地轉儲自給定基準日期後有所更改的全部文件和目錄。

3 文件系統一致性

文件系統一致性：很多文件系統讀取磁盤塊，進行修改後，再寫回磁盤。如果在修改過的磁盤塊全部寫回之前系統崩潰，則文件系統有可能處於不一致的狀態。

爲了解決不一致問題，很多操作系統帶有檢驗文件系統一致性的程序，如UNIX中的fsck，Windows中的scandisk。

一致性檢查分爲兩種：塊的一致性檢查，文件的一致性檢查。

4 文件系統性能

訪問磁盤比訪問內存要慢得多。

有各種優化措施來改善性能，如高速緩存、預先讀取等，不做深入討論。

5 磁盤碎片整理

隨着時間的流逝，文件被不斷的創建和刪除，磁盤就會產生很多的碎片，造成性能的降低。

移動文件使它們相鄰，把所有的空閒空間放在一個大的連續區域內。

SSD不需要碎片整理。