系列文章 : [6.1810] 跟著 MIT 6.1810 學習基礎作業系統觀念

檔案系統的目的 :

• 檔案系統的目的是組織和儲存資料。
• 檔案系統通常具備持久性，也就是在重新開機後，資料仍舊存在。

在 xv6-riscv 上的檔案系統解決了幾個麻煩 :

• 檔案系統需要 disk 上的 data structure 來表示
  • tree of named directories and files
  • 記錄 identities of the blocks that hold each file’s content
  • 記錄 disk 上哪些區域是空閒的
• 檔案系統必須支援 crash recovery。假如發生 crash ( 例如說突然被關機 )，檔案系統必須要在重新開機後仍然正確運作。因為當突發性的 crash 發生的時候，可能會中斷檔案系統的操作，導致 on-disk data structure inconsistent ( 一個 block 同時被標記為 free，又同時被一個檔案使用 )。
• 不同的 process 可能會想要同時操作同一個檔案系統 ( file system )，所以檔案系統的程式碼必須要能夠協調不同 process 對同一個檔案系統的操作。
• 存取 disk 的速度比存取 memory 慢上好幾個數量級 ( orders of magnitude )，因此檔案系統必須維護 in-memory cache of popular blocks。

xv6-riscv 的 file-system 被分成 7 層，這邊由最頂層的 Layer 往下列舉。

• File Descriptor Layer
  • 相關檔案
    • file.c
    • sysfile.c
  • 簡介 : File Descriptor Layer 抽象化了許多 Unix 資源 ( e.g. pipes, devices, files, etc… )，使用檔案系統提供的介面，簡化了應用程式開發人員的工作。
• Pathname Layer
  • 相關檔案
    • fs.c
  • 簡介 : pathname layer 提供了如 /usr/rtm/xv6/fs.c 般的階層式路徑名稱，並透過遞迴查找 ( recursive lookup ) 來解析 ( resolve ) 它們
• Directory Layer
  • 相關檔案
    • fs.c
  • 簡介 : directory layer 把每一個目錄 ( directory ) 實作成一個特殊的 inode，這個特殊 inode 的內容為一連串的目錄條目，每個條目包含一個檔案名稱與 i-number。
• Inode Layer
  • 相關檔案
    • fs.c
    • fs.h
  • 簡介 : inode layer 提供獨立的檔案，每個檔案皆表示為一個具有唯一 i-number 的 inode，以及一些存放該檔案資料的 blocks。
  • 註 : block 是作業系統 ( 軟體 ) 的概念，而 sector 則是硬體 ( e.g. disk ) 的概念，通常 block size 是 sector size 的倍數。例如 xv6-riscv 的 block size 是 1024 bytes，而 VirtIO block device 的 sector size 是 512 bytes。1024 為 512 的倍數。
• Logging Layer
  • 相關檔案
    • log.c
  • 簡介 : logging layer 允許更高層級 ( e.g. inode-layer … ) 對數個 blocks 的更新包裝在一個 transaction 中，並確保在面對 crash ( e.g. 突然關機 ) 的時候，對這些 blocks 的更新具有原子性 ( atomic, 全部更新或是全部都不更新 )。
• Buffer Cache Layer
  • 相關檔案
    • bio.c
    • buf.h
  • 簡介 : Buffer Cache Layer 會對 disk blocks 進行快取，並且確定每次只有一個 kernel process 可以對一個 block 進行操作。
• Disk Layer
  • 相關檔案
    • virtio.h
    • virtio_disk.c
  • 簡介 : 針對 VirtIO Block Device 的操作，對 VritIO Block Device 的 sector 進行讀寫。

• disk hardware 傳統上會將 disk 上的資料呈現為一系列擁有編號的 512-byte blocks ( 也能被稱為 sectors )。
• sector 0 為前 512 bytes，sector 1 是接下來的 512 bytes，以此類推。
• 作業系統中使用的 block size 不一定會跟 disk hardware 使用的 block size ( or sector size ) 同，但通常作業系統所使用的 block size 會是 disk hardware 的 sector size 的倍數。例如 xv6-riscv 的 block size 是 1024 bytes，而 VirtIO block device 的 sector size 是 512 bytes。1024 為 512 的倍數。
• xv6-riscv 會把讀進 memory ( e.g. DRAM ) 的 blocks 的副本，保存在 struct buf 中。
• 儲存在 struct buf 中的資料，有時候會跟 disk hardware 不同步。
  • struct buf 中的資料可能尚未從 disk 讀入 ( disk 正在處理，但尚未回傳 sectors 的內容 )
  • struct buf 中的資料可能已經被軟體更新，但是還沒有寫進磁碟。

• 檔案系統必須規劃 inode 和內容區塊 ( content blocks ) 儲存在 disk 上的位置。
• xv6-riscv 把 disk 劃分為幾個不同的區段 ( sections )，可以參考下面的圖例。
• 檔案系統不會去使用 block 0 ( 因為 block 0 已經被當作 boot sector 使用 )。
• Block 1 被稱為 superblock。
  • 它包含了 metadata
    • 以 block 為單位的，檔案系統的大小
    • the number of data blocks
    • the number of inodes
    • the number of blocks in the log
• 從 Block 2 開始存放日誌 ( log )
• 在日誌 ( log ) 後面是 inode，每個 block 會包含多個 inode。
• 在這之後是 bitmap block，用於追蹤哪些 block 正在被使用。
• 剩餘的 blocks 就是 data blocks，每一個 data blocks 要麼是被標記為空閒 ( free )，要麼就是存放著 檔案的內容( content for a file )，或是目錄 ( directory ) 的內容。
• superblock 由一個名為 mkfs 的獨立程式 (seperate program) 填入。mkfs 這個程式負責建立初始的檔案系統。

{ 來自 xv6-riscv 課本的圖例 }

在 xv6-riscv，file system 在軟體上被分為七個 layer ( disk, buffer cache, logging, inode, directory, pathname, file descriptor )，以及在 disk hardware 內的 layout ( boot, superblock, log, inodes, bitmap, data )，這是 xv6-riscv 對檔案系統的設計。

其他的檔案系統 (e.g. ext4, FAT) 可能會有不同的設計 ( 軟體的分層設計，以及 disk hardware 內的 layout )。