Hệ thống tập tin

Hệ thống tập tin là thành phần của hệ điều hành có chức năng tổ chức dữ liệu bền vững thành các tập tin và thư mục có tên trên các thiết bị lưu trữ, quản lý cách dữ liệu được sắp xếp, định vị, bảo vệ và duy trì tính nhất quán.

Definition

Hệ thống tập tin là phương pháp và cấu trúc dữ liệu mà hệ điều hành sử dụng để lưu trữ, tổ chức, đặt tên, truy xuất và bảo vệ dữ liệu bền vững trên thiết bị lưu trữ, trình bày các tập tin và thư mục cho các ứng dụng trong khi quản lý bố cục và tính nhất quán trên thiết bị.

Scope

Chủ đề này bao gồm trừu tượng hóa và giao diện tập tin, cấu trúc thư mục, các phương pháp cấp phát (liên tục, liên kết, chỉ mục) và quản lý không gian trống, các cấu trúc siêu dữ liệu như inode, ghi nhật ký và tính nhất quán khi gặp sự cố, và bộ đệm. Nó đề cập đến cách hệ điều hành biến bộ nhớ thô thành một không gian tên đáng tin cậy, có tên. Nó không bao gồm các thiết bị lưu trữ vật lý (thiết bị lưu trữ thứ cấp) và quản lý bộ nhớ chính của hệ điều hành (quản lý bộ nhớ).

Core questions

• Các tập tin được đặt tên, tổ chức vào thư mục và truy cập như thế nào?
• Dữ liệu của một tập tin được cấp phát và định vị trên thiết bị lưu trữ như thế nào?
• Hệ thống tập tin lưu giữ siêu dữ liệu nào và không gian trống được quản lý như thế nào?
• Hệ thống tập tin duy trì tính nhất quán như thế nào khi gặp sự cố?

Key concepts

• trừu tượng hóa và giao diện tập tin
• thư mục và không gian tên
• inode và siêu dữ liệu
• các phương pháp cấp phát (liên tục, liên kết, chỉ mục)
• quản lý không gian trống
• ghi nhật ký và tính nhất quán khi gặp sự cố
• bộ đệm
• kiểm soát truy cập và quyền hạn

Key theories

Tính nhất quán khi gặp sự cố

Vì sự cố có thể làm gián đoạn các cập nhật nhiều bước, hệ thống tập tin sử dụng các kỹ thuật như ghi nhật ký (ghi lại các thay đổi dự kiến trước khi áp dụng chúng) hoặc sao chép khi ghi để đảm bảo rằng sau một lỗi, hệ thống tập tin có thể được khôi phục về trạng thái nhất quán.

Mechanisms

Hệ thống tập tin ánh xạ luồng byte logic của mỗi tập tin vào các khối trên thiết bị, ghi lại ánh xạ và các thuộc tính trong các cấu trúc siêu dữ liệu như inode và thư mục. Các phương pháp cấp phát xác định cách các khối được gán và theo dõi, và các cấu trúc không gian trống ghi lại các khối có sẵn. Bộ đệm giữ các khối được sử dụng gần đây trong bộ nhớ, và ghi nhật ký hoặc sao chép khi ghi đảm bảo rằng các cập nhật bị gián đoạn sẽ để lại hệ thống tập tin trong trạng thái có thể phục hồi, nhất quán.

Clinical relevance

Hệ thống tập tin là cách gần như tất cả dữ liệu bền vững được lưu trữ và truy xuất, vì vậy hiệu suất và độ tin cậy của chúng rất quan trọng đối với cơ sở dữ liệu, ứng dụng và người dùng. Các lựa chọn thiết kế liên quan đến siêu dữ liệu, bộ đệm và tính nhất quán khi gặp sự cố quyết định độ bền và khả năng phục hồi sau các lỗi, và các hệ thống tập tin được sử dụng rộng rãi như ext4, NTFS và ZFS thể hiện hàng thập kỷ của những đánh đổi này.

History

Các hệ thống tập tin phân cấp với thư mục và mô hình inode đã được UNIX thiết lập vào khoảng năm 1970. Hệ thống tập tin nhanh Berkeley đã cải thiện bố cục và hiệu suất, và các thiết kế ghi nhật ký và cấu trúc nhật ký vào những năm 1990 đã giải quyết tính nhất quán khi gặp sự cố và hiệu suất ghi. Các hệ thống tập tin sao chép khi ghi như ZFS và Btrfs sau đó đã tích hợp các tổng kiểm tra và ảnh chụp nhanh để tăng cường tính toàn vẹn.

Debates

Ghi nhật ký so với sao chép khi ghi để đảm bảo tính nhất quán

Ghi nhật ký ghi lại các thay đổi dự kiến trước khi áp dụng chúng, trong khi sao chép khi ghi ghi dữ liệu mới vào các vị trí mới và chuyển đổi con trỏ một cách nguyên tử; mỗi phương pháp đều cung cấp tính nhất quán khi gặp sự cố với các đánh đổi khác nhau về hiệu suất, không gian và tính toàn vẹn, và cả hai đều được sử dụng trong các hệ thống hiện đại.

Key figures

• Ken Thompson
• Dennis Ritchie
• Marshall Kirk McKusick
• Abraham Silberschatz

Seminal works

• silberschatz2018
• tanenbaum2014os

Frequently asked questions

Inode là gì?

Inode là một cấu trúc siêu dữ liệu mô tả một tập tin: kích thước, quyền sở hữu và quyền hạn, dấu thời gian và các con trỏ đến các khối lưu trữ chứa dữ liệu của nó. Các thư mục ánh xạ tên dễ đọc của con người đến các inode, tách tên của một tập tin khỏi biểu diễn trên thiết bị của nó.

Ghi nhật ký bảo vệ chống lại sự cố như thế nào?

Trước khi sửa đổi các cấu trúc hệ thống tập tin, một hệ thống tập tin ghi nhật ký sẽ ghi lại các thay đổi dự kiến vào một nhật ký. Nếu một sự cố làm gián đoạn quá trình cập nhật, khi khởi động lại, hệ thống sẽ phát lại hoặc loại bỏ các thay đổi đã ghi, khôi phục trạng thái nhất quán thay vì để hệ thống tập tin bị hỏng.