当前课程知识点：操作系统 > 第二十一讲 文件系统 > 21.5 文件缓存和打开文件 > 21.5 文件缓存和打开文件
下面我们来讨论文件缓存
和打开文件管理
文件缓存呢是指
我们从磁盘上读数据到内存
甚至于到CPU使用
中间有多种缓存
我们先看看 这在哪些地方
都有可能有缓存
首先呢我们是在磁盘上有数据
然后磁盘上通过磁盘控制器
来完成对磁盘上扇区的读写
在这个磁盘控制器上头呢
就有扇区的缓存
基于这个再往上呢 是内存
内存里头呢 我们有数据块的缓存
同时还有一类虚拟磁盘
用内存虚拟盘
它用内存来虚拟一个逻辑的磁盘
然后在这之上呢我们维护了
每一个打开文件的打开文件表
打开文件表里头的每一项呢
对应着我这里的一个文件
最后是到CPU
在这里头我们看到 内存 磁盘控制器
上头都有缓存
在我们操作系统里讨论的缓存呢
是在内存当中的数据块缓存
我们从磁盘上读数据块到内存
这地方的读呢
通常情况下是按需进行的
我有一个read
在执行read操作的时候呢
会把相应的一整块读到内存里来
选择我所需要的
给相应的进程拿去使用
而在读的过程当中
我也可以采取一定的预读机制
我可以多读几块
那么这时候呢我们认为
数据块在使用之后会被缓存
这种缓存的意思呢 在于说
日后我可能这一块还会再用到
如果出现这种情况
那我就不用再去从磁盘上读了
在写的时候呢
也有可能这种写呢
会被延迟到以后
也就相当于 我先把它写到
内存里的缓存里头
然后后续再有修改的时候呢
而我事先没有写
那这样的话 我就可以把两个写
合并到一起 来往下写
当然这种你合并之后写呢
有一种风险 就是可能在你
前一个写没有进行
第二个写也没进行的时候
系统出了故障了
那么你头一个
本来认为它已经正常写进去的
也就可能会丢掉了
有了这个之后 那我们看
这个缓存我们怎么来控制
在这里呢有两种缓存机制
一种呢是数据块缓存
我读磁盘上的东西
我放内存里 我标记这一块
内存的东西是磁盘的缓存
以后你要去读磁盘我先查这个地方
还有一种缓存机制呢是页缓存
从我们刚才这种讨论
大家已经感觉到了
在虚拟存储里头 我们会把
物理内存不够用的地方
放到外存里头
实际上 数据块的缓存呢
你可以理解为是我把磁盘上的东西
在内存里做一个反向的缓存
从这个角度来讲
这两者之间 有很强的
关联性和相似性
所以我们可以把
这两种机制统一到一起
具体我们来看一下这两种机制
首先是磁盘块缓存
磁盘块缓存呢就是
它和虚拟存储之间呢
我们是相互隔离开的
你可能会有虚拟页的对换
也有可能进程有文件的读写
这两个呢在虚拟页这个地方的时候
它可能会是说
我在要去置换的时候
我看是否有相应的缓存
因为在我们前面讲的
页面置换算法里头
有一种情况是 我会往外写
或者说 从磁盘上读的时候
我有一部分内容呢
在内存里头还是有备份的
对于这种情况 我可以直接从页缓存里
拿到相应的结果来使用
而对于读写文件呢
我可能在内存里有磁盘块
已经有缓存 我也可以从这里拿出来
这样一来的话对于这两种情况
它们在这个磁盘块的
数据块的缓存这个地方呢
就可以到合并到一起
但是前面这地方页缓存多了一级
然后这个数据块再往下
到磁盘上文件系统
这是页缓存 实际上相当于
它们俩合并地方是在数据块这个地方
而另一种机制是把它俩统一起来
这时候大家还记得 我们在前面讲的
虚拟页式存储吗
那个地方我可以把虚拟页面
映射到本地的外存文件当中
这就是我们这里说的
逻辑地址空间里的页面
经过内核的虚拟存储管理机构
把它映射到物理内存
或者说把它映射到外存
这两者之间呢
它们都是可以存数据的
所以它可以利用这种方式
来扩展进程可用的逻辑地址空间
这时候说我们除了
把它放在对换区里头
你也可以认为它是一个文件
我们可以还对一些可执行文件
我直接把它映射到
你的可执行文件里头去
这种机制呢 实际上就和我们
这里文件数据块的
页缓存机制是一致的
那么这时候呢我可以把这个页面呢
缓存到别的文件里头
也就是我们这里一种情况
有了这种做法之后
我们就可能反过来提供一种机制
就是把文件缓存到内存当中
把你的文件读写呢
转换成对内存的访问
这样一来 就可以把
这两者之间统一起来
在这种情况下 你在文件访问的时候
就会导致缺页和相应的
页面状态的变化
这是它运用页面缓存的好处
但是它也会有一个问题
就是页面置换算法
我们有一个 说
给每一个进程分配多少物理页面
如果是全局置换算法的话
给整个系统有多少物理页面
如果说你再把这个
和磁盘缓存搁在一起的话
这两者之间的页面数 到底分配多少
实际上你又多了一个
需要动态调节的部分
这时候你需要
在虚拟存储和页缓存之间
去协调各自物理内存分配情况
有了这种机制之后呢
我们会看到 进程的内存访问
和文件读写 都会转换成
我这儿的页缓存
如果说有 直接在内存里头就行了
如果没有 再转换下面
到文件系统里去读写
这是我们说有了文件系统之后
我的缓存的做法
当然你要想维护这一套做法呢
那你所有打开的文件 在操作系统里
都必须维护相关的数据结构
来记录这些缓存的状态
这就是我们这里的打开文件数据结构
其中重要的一个内容呢是文件描述符
打开文件表里的每一项
就是一个文件描述符所对应的信息
每一个打开的文件呢
有一个文件描述符
这里头呢包含的信息是
相关的文件指针 文件操作的设置
以及于对应的目录项的缓存
这些信息呢 对应过来是
每个进程 有一个进程的打开文件表
而整个系统 有一个系统的打开文件表
并且在这种情况下
如果说你某一个文件卷
已经有文件被打开
那么这时候呢 有打开文件的文件卷
你就不能被卸载
这就是为什么在有些情况下
我把系统里的某个文件卷卸载
它会不成功的原因
有了这个之后 我们来看
前面说到的 文件系统的组织视图
跟我们打开文件怎么对应起来呢
在这里头 你打开某一个文件
就对应着相应的目录项 文件控制块
和文件的内容 需要在内存当中有缓存
这一信息呢 在内存当中的记录
就构成了我们这里的
系统打开文件表
这个系统打开文件表里
有一些内容是 各个进程是不一样的
那这些不一样的部分
就构成了我们进程的打开文件表
而进程打开文件表里呢 共同的部分
会映射到系统的打开文件表里头
这样的话两个进程共用的部分呢
它就在打开文件表里头
这就是我们这里说到的
进程打开文件表 和系统打开文件表
有了这个之后
接下来我们看打开文件锁
也就说 有多个进程
共享同一个文件的时候
那么这时候呢 对于它们的访问
就需要协调
操作系统能够提供一种机制
就是文件锁
这种机制呢 分成两种实现策略
一种是强制 你在访问一个文件的时候
它根据锁的保持状态和你的访问请求
来判断是否允许你进行相应的访问
或者是拒绝
还有一种做法呢是劝告
实际上在这儿呢
它就是在操作系统
提供相应的一些机制
使得进程可以查询文件打开
和锁定的状态
由进程来决定
我在这种状态下我怎么做
一种说我不管你怎么样 我直接访问
因为我对它的中心状态不关心
或者说 这个中心状态对我没有影响
如果有影响 那你就可以决定说
我延迟一会儿之后
等相应操作完成了
我再来进行相应操作
这样的话 就把打开文件
访问协调的机制呢
变成是应用进程自己来协调
这是关于数据块缓存
和打开文件维护的讨论
-0.1 Piazza讨论区
--html
-0.2 在线实验平台
--实验平台使用帮助
--平台使用帮助
-0.2在线实验平台
--Raw HTML
-1.1 课程概述
--视频
-第一讲 操作系统概述--练习
-1.2 教学安排
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-1.3 什么是操作系统
--Video
-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统
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-1.5 操作系统实例
--视频
-1.6 操作系统的演变
--视频
-1.7 操作系统结构
--视频
-2.1 前言和国内外现状
-2.2 OS实验目标
-2.3 8个OS实验概述
-2.4 实验环境搭建
-2.5 x86-32硬件介绍
-2.6 ucore部分编程技巧
-2.7 演示实验操作过程
--Q6
--Q7
--Q10
-3.1 BIOS
--3.1 BIOS
-3.2 系统启动流程
-3.3 中断、异常和系统调用比较
-第三讲 启动、中断、异常和系统调用--3.3 中断、异常和系统调用比较
-3.4 系统调用
--3.4 系统调用
-第三讲 启动、中断、异常和系统调用--3.4 系统调用
-3.5 系统调用示例
-3.6 ucore+系统调用代码
-4.1 启动顺序
--4.1 启动顺序
-4.2 C函数调用的实现
-4.3 GCC内联汇编
-4.4 x86中断处理过程
-4.5 练习一
--4.5 练习一
-4.6 练习二
--4.6 练习二
-4.7 练习三
--4.7 练习三
-4.8 练习四 练习五
-4.9 练习六
--4.9 练习六
-5.1 计算机体系结构和内存层次
-5.2 地址空间和地址生成
-5.3 连续内存分配
-5.4 碎片整理
--5.4 碎片整理
-5.5 伙伴系统
--5.5 伙伴系统
-第五讲 物理内存管理: 连续内存分配--5.6 练习
-6.1 非连续内存分配的需求背景
-6.2 段式存储管理
-- 6.2 段式存储管理
-6.3 页式存储管理
-6.4 页表概述
--6.4 页表概述
-6.5 快表和多级页表
-6.6 反置页表
--6.6 反置页表
-6.7 段页式存储管理
-第六讲 物理内存管理: 非连续内存分配--6.8 练习
-7.1 了解x86保护模式中的特权级
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.1 了解x86保护模式中的特权级
-7.2 了解特权级切换过程
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.2 了解特权级切换过程
-7.3 了解段/页表
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.3 了解段/页表
-7.4 了解UCORE建立段/页表
-第七讲 实验二 物理内存管理--7.4 了解UCORE建立段/页表
-7.5 演示lab2实验环节
-8.1 虚拟存储的需求背景
-8.2 覆盖和交换
-8.3 局部性原理
-8.4 虚拟存储概念
-8.5 虚拟页式存储
-8.6 缺页异常
--8.6 缺页异常
-9.1 页面置换算法的概念
-9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法
-第九讲 页面置换算法--9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法
-9.3 时钟置换算法和最不常用算法
-第九讲 页面置换算法--9.3 时钟置换算法和最不常用算法
-9.4 Belady现象和局部置换算法比较
-第九讲 页面置换算法--9.4 Belady现象和局部置换算法比较
-9.5 工作集置换算法
-第九讲 页面置换算法--9.5 工作集置换算法
-9.6 缺页率置换算法
-第九讲 页面置换算法--9.6 缺页率置换算法
-9.7 抖动和负载控制
-10.1 实验目标：虚存管理
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.1 实验目标：虚存管理
-10.2 回顾历史和了解当下
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.2 回顾历史和了解当下
-10.3 处理流程、关键数据结构和功能
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.3 处理流程、关键数据结构和功能
-10.4 页访问异常
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.4 页访问异常
-10.5 页换入换出机制
-第十讲 实验三 虚拟内存管理--10.5 页换入换出机制
-11.1 进程的概念
-第十一讲 进程和线程--11.1 进程的概念
-11.2 进程控制块
-第十一讲 进程和线程--11.2 进程控制块
-11.3 进程状态
-第十一讲 进程和线程--11.3 进程状态
-11.4 三状态进程模型
-11.5 挂起进程模型
-第十一讲 进程和线程--11.5 挂起进程模型
-11.6 线程的概念
-第十一讲 进程和线程--11.6 线程的概念
-11.7 用户线程
-第十一讲 进程和线程--11.7 用户线程
-11.8 内核线程
-第十一讲 进程和线程--11.8 内核线程
-12.1 进程切换
-第十二讲 进程控制--12.1 进程切换
-12.2 进程创建
-第十二讲 进程控制--12.2 进程创建
-12.3 进程加载
-第十二讲 进程控制--12.3 进程加载
-12.4 进程等待与退出
-第十二讲 进程控制--12.4 进程等待与退出
-13.1 总体介绍
-13.2 关键数据结构
-13.3 执行流程
-13.4 实际操作
-14.1 总体介绍
-14.2 进程的内存布局
-14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现
--14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现
-14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现
--14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现
-14.5 进程复制
-14.6 内存管理的copy-on-write机制
-15.1 处理机调度概念
-第十五讲 处理机调度--15.1 处理机调度概念
-15.2 调度准则
-15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
-第十五讲 处理机调度--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法
-15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架
--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架
-第十五讲 处理机调度--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和uc
-15.5 实时调度和多处理器调度
-第十五讲 处理机调度--15.5 实时调度和多处理器调度
-15.6 优先级反置
-第十五讲 处理机调度--15.6 优先级反置
-16.1 总体介绍和调度过程
-16.2 调度算法支撑框架
-16.3 时间片轮转调度算法
-16.4 Stride调度算法
-17.1 背景
--17.1 背景
-17.2 现实生活中的同步问题
-第十七讲 同步互斥--17.2 现实生活中的同步问题
-17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法
-第十七讲 同步互斥--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法
-17.4 基于软件的同步方法
-第十七讲 同步互斥--17.4 基于软件的同步方法
-17.5 高级抽象的同步方法
-第十七讲 同步互斥--17.5 高级抽象的同步方法
-18.1 信号量
--18.1 信号量
-第十八讲 信号量与管程--18.1 信号量
-18.2 信号量使用
-第十八讲 信号量与管程--18.2 信号量使用
-18.3 管程
--18.3 管程
-第十八讲 信号量与管程--18.3 管程
-18.4 哲学家就餐问题
-18.5 读者-写者问题
-19.1 总体介绍
-19.2 底层支撑
-第十九讲 实验七 同步互斥--19.2 底层支撑
-19.3 信号量设计实现
-第十九讲 实验七 同步互斥--19.3 信号量设计实现
-19.4 管程和条件变量设计实现
-第十九讲 实验七 同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现
-19.5 哲学家就餐问题
-20.1 死锁概念
-第二十讲 死锁和进程通信--20.1 死锁概念
-20.2 死锁处理方法
-第二十讲 死锁和进程通信--20.2 死锁处理方法
-20.3 银行家算法
-第二十讲 死锁和进程通信--20.3 银行家算法
-20.4 死锁检测
-第二十讲 死锁和进程通信--20.4 死锁检测
-20.5 进程通信概念
-第二十讲 死锁和进程通信--20.5 进程通信概念
-20.6 信号和管道
-第二十讲 死锁和进程通信--20.6 信号和管道
-20.7 消息队列和共享内存
-第二十讲 死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存
-21.1 文件系统和文件
-第二十一讲 文件系统--21.1 文件系统和文件
-21.2 文件描述符
-第二十一讲 文件系统--21.2 文件描述符
-21.3 目录、文件别名和文件系统种类
-第二十一讲 文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类
-21.4 虚拟文件系统
-第二十一讲 文件系统--21.4 虚拟文件系统
-21.5 文件缓存和打开文件
-第二十一讲 文件系统--21.5 文件缓存和打开文件
-21.6 文件分配
-第二十一讲 文件系统--21.6 文件分配
-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID
-第二十一讲 文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID
-22.1 总体介绍
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.1 总体介绍
-22.2 ucore 文件系统架构
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.2 ucore 文件系统架构
-22.3 Simple File System分析
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.3 Simple File System分析
-22.4 Virtual File System分析
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.4 Virtual File System分
-22.5 I/O设备接口分析
-第二十二讲 实验八 文件系统--22.5 I/O设备接口分析
-22.6 执行流程分析
-23.1 I/O特点
--视频
-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点
-23.2 I/O结构
--816C80A0F5E3B8809C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构
-23.3 I/O数据传输
--C58221E14388B9DB9C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输
-23.4 磁盘调度
--567A3F1FCBFB3F4C9C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度
-23.5 磁盘缓存
--C327536B80D25CE79C33DC5901307461
-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存
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