设备驱动与文件系统：04 从生磁盘到文件

从磁盘到文件的抽象：建立字符流与盘块号的映射

好，开始探讨的核心内容是如何从磁盘到文件进行抽象，也就是研究从磁盘到文件这一层抽象的具体实现过程。

上一课，我们已经讲了一些抽象内容，包括生磁盘的使用方式以及操作系统驱动磁盘的原理，即如何从一个盘块号最终实现对磁盘的读写操作。并且，我们也提到了多个进程发出盘块号后，最终都能将数据存储到磁盘的柱面、磁头、扇区中。
但上一课也留下了一个关键问题：盘块号从哪里来？我们使用磁盘真的是直接用盘块号吗？ 实际上，这并不符合我们的直观想法，我们在使用磁盘时，往往是通过文件来进行的，这样更加自然，也更符合用户的认知习惯，能让用户使用起来更加方便。所以，这节课我们就要深入讲解如何从生磁盘抽象出文件，反过来，也就是如何从文件得到盘块号。因为一旦得到盘块号，就能与上一讲的内容衔接起来，形成一个完整的体系，从而实现文件在磁盘上的读写操作。因此，这一讲的核心关键就在于从文件怎么得到盘块号，以及从盘块号怎么抽象成文件。

人们用文件的方式使用磁盘，也有特定的名称。上一课讲的是生磁盘（raw disk），这一讲则是熟磁盘（cook disk），也就是我们常说的对磁盘进行“煮熟”处理。引入文件，是对磁盘使用的第三层抽象。之所以进行这一层抽象，是因为引入更高一层的抽象后，使用起来会更加方便。如果让普通用户使用生磁盘，他们需要了解盘块号等复杂概念，而这些概念对于普通用户来说理解成本较高，操作系统便引入了文件这个更高层次的概念，将这些复杂细节隐藏起来。有了文件后，用户在使用、操纵和读写信息时，会变得更加直观和自然。

那么，这个故事该从哪里开始讲起呢？我们需要先弄清楚用户眼里的文件到底是什么样子。在现实生活中，文件非常常见，一本书、一张纸或几张纸，都可以看作是文件。在这些文件中，我们通常是一行一行往下阅读，从本质上来说，这种二维的组织形式，如果将纸张足够放大，其实就是一行内容一直往后延伸，文件的核心就是一个字符流。人们并不关心文件存放的位置和来源，在我们眼中，文件被抽象成了一堆字符组成的流。当然，用户眼里的文件是一个抽象概念，在计算机中，这些文件最终要存储在磁盘上。而磁盘是由一堆盘块组成的，所以磁盘上的文件就是由这些盘块拼接而成，不同的盘块存放文件的不同部分。由此可见，这节课的核心内容就是要建立一个从字符流到盘块的映射关系，这也呼应了我们一开始所说的，从文件得到盘块号是这一讲的核心。

为了更好地理解这个映射关系，我们来举个例子。假设我们读取一个test.c文件，这是一个用C语言编写的代码文件。在读取过程中，我们发现其中200 - 212这一段字符可能存在错误，需要对其进行改写。在我们的认知里，test.c文件是一个连续的字符流，从0字符开始，长度理论上可以是无穷无尽的。我们想要对200 - 212这部分字符进行操作，就需要找到它们在磁盘上对应的盘块号，这就是一个映射过程。当我们找到789这个映射（假设对应盘块号）后，就可以按照上一课讲的内容，将盘块号发送到电梯队列，经过一系列操作，将数据读取到内存缓冲区，进行修改后，再通过电梯队列写回磁盘。这样，从用户的角度来看，原来的字符流中特定部分就被修改了，而这一切操作的背后，就是映射关系在起作用。

操作系统负责维护这个映射关系，确切地说，操作系统封装并隐藏了这个映射过程。在用户眼中，他们面对的只是一个字符流，可以随意对其进行各种操作，如删除特定字符段、增加字符、拷贝字符等。当用户发出这些操作请求时，操作系统会负责解释请求，通过查找映射关系，确定字符流位置对应的盘块号，然后发出磁盘读写请求，将请求放入电梯队列，最终实现用户的操作需求。

接下来，我们来探讨一下文件存储的不同结构，因为不同的结构代表了不同的映射关系。

连续存放结构

第一种结构是连续存放。以test.c文件为例，操作系统会将文件一块一块连续地存储在磁盘上。假设每个盘块能存放100个字节的内容，那么0 - 99个字符就会存放在第6个盘块，100 - 199个字符存放在第7个盘块。如果我们要确定200 - 212个字符所在的盘块号，通过简单计算（200÷100，再加上初始盘块号6），就可以得出其在第8号盘块。

在这种连续存放结构下，映射表中只需要存放文件的起始盘块号，如test.c文件的起始盘块号6。有了这个起始盘块号，再结合每个盘块能存放的字符数（这是操作系统初始化时确定的参数，例如Linux 0.11中一个盘块大小为1K，由两个512字节的扇区组成），就可以根据字符流中的位置计算出对应的盘块号，从而建立起映射关系。这样，我们对文件的读写操作就转化为了对字符流中特定字符的操作，操作系统会负责将这些操作转换为对磁盘盘块的读写。

连续存放结构的优点是读写速度快，适合直接读写操作，因为计算盘块号的过程简单直接，中间没有额外的复杂操作。但它的缺点也很明显，不适合文件的动态增长。当文件不断增加内容，例如test.c文件增长到需要第14个盘块时，如果要保证连续存放，可能会覆盖掉其他文件的空间，或者需要将整个文件挪动到一个更大的连续空间，这不仅操作不便，而且非常浪费时间，需要对整个文件进行拷贝、重新读取和写入操作。所以，这种结构比较适合像词典文件这类几乎不再变化的文件存储，因为它们适合顺序读取和查找；而对于像Word报告这类不断进行增删改操作的动态变化文件，就不太适用。

链式存放结构

除了连续存放结构，还有链式存放结构。同样以test.c文件为例，第一块数据存放在某个盘块（假设为1号盘块），在第一块的末尾会记录下第二块数据所在的盘块号（假设为10号盘块），第二块的末尾再记录第三块的盘块号（假设为17号盘块），以此类推，形成类似数据结构中链表的形式。

在链式存放结构下，映射表中依然存放文件的第一个盘块号，如1号盘块。当我们要查找200 - 212个字符所在的盘块时，先根据计算确定其在逻辑上的第二块（因为200÷100 = 2，从0开始计数），然后读取第一块盘块的数据，获取到第二块盘块的号10，再读取10号盘块，获取到第三块盘块号17，最后读取17号盘块，就能找到200 - 212个字符。

这种链式存放结构的优点是适合文件的动态增长，因为只需要找到最后一个盘块，再链接上新的空闲盘块即可，不需要移动前面已有的数据。但它的缺点是读写速度较慢，每次读写都需要沿着链表依次读取盘块，相比连续存放结构，增加了很多额外的读取操作。所以，链式存放结构是存储起来相对较慢，但动态变化操作比较快，与连续存放结构形成了鲜明对比。

索引存放结构

另一种常见的结构是索引存放结构。索引，英文为index，在之前讲文件视图读写日记时提到的inode，其实就是索引结构下的一种实现，其中的“i”就对应这里的index。在索引结构中，会有专门的一块磁盘空间用于存放索引信息，这个索引信息就如同目录一样，记录着文件不同部分（逻辑块）对应的实际盘块号。例如，0 - 99个字符存放在第9号盘块，100 - 199个字符存放在第17号盘块，这些对应关系都会记录在索引表中。

当我们要查找200 - 212个字符所在的盘块时，首先根据文件的fcb（file control block，文件控制块，也可称为inode）读取索引块的内容，然后在索引表中查找，确定200 - 212个字符对应的盘块号，最后读取该盘块的数据。
在实际系统中，常常会采用多级索引的方式。对于小文件，索引节点中的部分信息可以直接对应数据块，在open文件时，这些信息会被读入内存，这样在读写小文件时，不需要启动磁盘读取操作，就能直接确定盘块号，速度非常快，与连续存放结构的读写效率相当；对于中等大小的文件，通过一层链接读取一次索引块，就能获取到盘块号；对于特别大的文件，则可能需要读取两层或更多层的索引块。这种多级索引方式能够很好地适应不同大小的文件，既适合文件的增长，读写速度也相对较快，因此在现实生活中被广泛应用，几乎所有的Unix系统和Linux系统的文件系统，都是基于索引结构进行改造的。

总结与思考

讲到这里，我们来总结一下这节课的内容。我们对磁盘的使用不再使用生磁盘和盘块号，而是使用字符流。操作系统为了实现这种转变，设计了相应的结构和映射表。通过顺序结构、链式结构、索引结构等不同的存储结构，操作系统维护着相关信息，主要是索引信息和fcb信息。根据这些信息，操作系统能够将用户对字符流中任意位置的读写操作，计算出对应的盘块号，然后将盘块号放入电梯队列，在磁盘中断时取出，计算出柱面、磁头、扇区（c h s）信息，通过输出操作发送到磁盘控制器，完成整个读写过程。

最后，我们来思考一个问题：如果像专门给词霸这样的词典来设计存储方式，采用哪种方式好呢？其实，我们之前已经提到过，顺序存放结构比较适合，因为词典文件内容相对固定，几乎不再变化，顺序结构的快速读写和适合查找的特点能够很好地满足其需求。