计算装置中的文件管理.pdf

当读取计算装置上的目录时，文件服务器在向客户应用传送列表时要向列表中添加多个唯一标签。文件服务器保存多个唯一标签的列表以及与标签相对应的文件的物理地址。当客户想要打开文件时，可以通过向文件服务器传送标签来打开文件。这使得文件服务器能够直接加载文件，而不必进行第二次的目录搜索来从文件名中发现文件的物理地址。

1.  一种在包括目录结构的计算装置中的文件管理方法，所述方法包括：
a.设置文件系统的目录列表，以包括所述目录中每一条目的唯一识别标签；
b.当向客户提供所述目录列表时，保留所述列表的副本，其中，所述列表包括用于所述列表中每一条目的标签，所述标签可表明该条目所指示对象的物理位置；
c.接收请求以通过引用对象的标签来打开所述对象；以及
d.提取所述对象的所述物理位置，并在其物理位置处打开所述对象。

2.  根据权利要求1所述的方法，其中，所述文件系统由用于向多个客户提供文件系统服务的文件服务器所控制，所述多个客户被设置以维护与所述文件服务器的一个或多个不同会话。

3.  根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述对象被选择以包括文件或其他目录或任何其他实体。

4.  根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述标签以数组的形式保存在表中，其中，所述标签用作用于使各个对象的所述物理位置能够被提取的索引。

5.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述文件系统包括只读文件系统。

6.  根据权利要求5所述的方法，其中，所述只读文件系统用于引导所述计算装置。

7.  根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述文件系统包括可写文件系统。

8.  根据权利要求7所述的方法，其中，如果对目录进行任何改变，则使所保留的列表无效，其中，所述列表最初来源于所述目录；以及将错误代码传送回请求打开具有无效列表中的标签的对象的客户，以使所述客户利用名字打开所述对象。

9.  根据权利要求7所述的方法，其中，所述列表的所述保留的副本还包括多个对象各自的名字；如果对目录进行任何改变，则使所述保留列表无效，其中，所述列表最初来源于所述目录；以及用于打开无效列表中的对象的请求使得使用在所述保留列表中的所述各自的名字来打开所述对象。

10.  根据权利要求7所述的方法，其中，所述文件系统被设置以接受用于打开标签所指示和对象名所指示对象的请求；如果对目录进行任何改变，则使所述保留列表无效，其中，所述列表最初来源于所述目录；以及用于通过无效列表中的标签来打开对象的请求使得所述文件系统利用所述对象名打开所述对象。

11.  根据权利要求8、9或10中任一项所述的方法，其中，所述文件系统被设置以在无效列表使得对象通过名字打开之后，更新其保留列表并使所述保留列表重新生效。

12.  根据权利要求8、9或10中任一项所述的方法，其中，所述文件系统被设置以监视用于引起目录中的条目的改变的活动，其中，对于所述目录，所述文件系统具有保留的目录列表，且其中，一旦受到改变的影响，就使标签无效，而不是使所保留的列表无效，只有在使用无效的标签进行请求时，才利用名字打开对象；或所述文件系统被设置以动态更新本来会要无效的条目。

13.  根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
a.允许单个保留的目录列表用于系统上的每个逻辑驱动器；或
b.允许固定数量的保留的目录列表用于每个文件服务器会话；或
c.根据客户请求，允许多个保留的目录列表用于文件服务器会话，直到固定的或动态的最大值。

14.  根据权利要求5或6、或从属于权利要求5或6时的权利要求13所述的方法，其中，在引导过程或任何其他用于所述计算装置的可预定的或可概要分析的操作序列期间，概要分析只读文件系统的使用，并且预定一个或多个保留的目录列表并使其包括在引导ROM中用于自动使用。

15.  一种计算装置，用于根据权利要求1至14中任一项所述的方法来运行。

16.  一种用于计算装置的操作系统，用于使所述计算装置根据权利要求1至14中任一项所述的方法来运行。

计算装置中的文件管理
本发明涉及计算装置中的文件管理，更具体的，涉及计算装置中打开文件的改进方法。
本文中所使用的术语计算装置可以被广泛理解为包括任何形式的电子计算装置，并且包括：数据记录装置、任何类型或形式的计算机(包括手持和个人计算机)、以及任何形式因数的通信装置(包括移动电话、智能电话、在单个设备中结合了通信、图像记录和/或重放、以及计算功能的发信机)、以及其他形式的无线和有线信息装置。
计算装置上的文件是持久命名的数据存储，被表示为单个的位流。文件管理是除了最简单计算装置之外的所有计算装置的操作系统的主要任务之一。如用于微软第一个OS(操作系统)的首字母缩写词为DOS(Disk Operating System，磁盘操作系统)的微软的选择所示，在单机个人计算机的早期，正如可提出证据加以证明的那样，文件管理是主要的操作系统任务。尽管用户界面已经变得更加复杂，并且网络化和互联系统的发展以及计算和电信装置的趋同增加了网络和链路管理的重要性，但是文件管理仍然是任何高级计算装置的核心功能之一。
在现代操作系统中，最基本的文件管理任务是
●保存系统上的文件的目录或索引
●根据请求打开或创建指定的文件
●使内容能够被读和写
●使文件或内容能够被删除
负责文件管理的操作系统部分被称为文件系统。
尽管文件系统是OS的基本部分，但其经常成为系统中最显著的瓶颈之一，且因此，多文件系统存取将降低任何计算装置的操作的有效速度。这主要是由于下面两个原因：
●由于需要由文件系统完成的工作的复杂性，写入和提取数据文件在计算上可能是相当昂贵的。为了提取出特定的硬件特征和低效率，还有为了在需要被存储的各种类型的数据上强加逻辑结构，大多数文件系统都利用多个间接层。此外，非只读(RO)的所有文件系统必须动态地处理它们所管理的数据内容的改变；它们必须确保当进行写入时不会危害到已在系统上的数据的完整性，并且它们还必须预测并处理诸如“磁盘满”和“坏块”的错误状态。
●更显著的，其上存储了永久文件的物理介质(由于历史原因通常将其称为磁盘或驱动器，而不管其是否是磁盘驱动器)几乎总是具有比包括计算装置的其他硬件更低的存取速度。这一点在个人计算机上所使用的传统软盘和硬盘驱动器(其依靠基于金属化合物的相对低速的磁存储器)中是最明显的。基本的软磁盘数据传送率仅为150千位/秒。尽管硬盘快得多并且现在接近于100兆位/秒的速度，但这仍然比装置中的随机存取存储器(RAM)的速度(现在可以超过1.5千兆位/秒)要慢很多。除了其较低的原始数据传送率，磁盘驱动器还受需要物理地旋转介质的不利影响；它们与更现代的CD和DVD驱动器(依赖激光技术来读取数据)所共有的特征是，通常能够以达到10×软磁盘速度的速度来写数据，以及以大约50×软磁盘速度的速度来读数据。所有可旋转介质的问题在于它们具有相对高的等待时间；它们不能够立即提供数据，这是因为在磁盘可被读取之前，必须将磁盘旋转到正确的位置，并且等待驱动器准备进行读取的需要引入(introduce)了甚至更长的时延。
最近几年，这些考虑在重要性方面已经逐渐增加，这是由于它们对诸如移动电话、个人数字助理(PDA)、以及数码相机的电池供电的移动计算装置的适用性。虽然这一类装置通常不使用可旋转介质作为持久存储器(尽管诸如Apple iPod的某些MP3播放器是例外的)，但是它们通常使用诸如闪存盘、CF(Compact Flash(袖珍闪存))卡、MMC(MultiMedia Cards(多媒体卡))、记忆棒(MemorySticks)、SM(Smart Media(智能媒体))卡、以及SD(Secure Digital(安全数码))卡的固态介质。
●尽管这些固态介质并不经受与可旋转驱动器相同的等待时间的问题，但它们的数据传送率仍然比RAM(通常为1兆位/秒到2兆位/秒)要慢很多，因此，上述的动机是减少磁盘的存取，以在同样应用中提高整个装置的性能。
●此外，众所周知，只读存储器(ROM)的访问速度要比随机存取存储器(RAM)的访问速度慢得多；这就是为什么多数的个人计算机将ROM中的内容复制到RAM中，然后将存储器重新映射到快速RAM而不是慢速ROM来提高性能的一个原因。从ROM引导的电池供电的移动装置(诸如移动电话、PDA、和数码相机)的用户将从较快的引导时间中获得更多的利益，这是因为总是发现在开机和装置变为可操作之间的延迟对这些装置的用户是无用的。加速ROM文件系统的任何事物都将减少引导时间，因此，其非常符合需要并且对这类装置来说具有相当大的好处。
●同样显著的事实是，对固态存储装置的访问使电池供电的装置以更高的速率消耗电能，这显然会导致在电池充电或更换电池之间更短的使用寿命。因此，任何最小化对文件系统的访问的技术都有助于节省电能，并导致装置效用的增加。
多年来，计算机系统设计者和软件设计师一直在寻找最小化对文件系统和物理磁盘的访问以总体上加速计算装置的运行的方法。大多数的速度提高都依赖于高速缓存(caching)技术的使用。
例如，当需要从较慢介质(诸如磁盘)中读取部分数据块时，可以读取整个数据块然后将其临时存储到读高速缓存器中的较快介质(诸如RAM)上；该方法从相同的数据块依次读取数据，而不需要访问较慢存储介质，这是因为数据已经存在于高速缓存器中(可以以此方式从高速缓存器中读取数据的称为高速缓存命中(cache hit))。写高速缓存(也称为延迟写(lazy write))通过消除多个低效的写操作使其工作稍有不同；待写入存储器中的磁盘上的少量数据被保存在高速缓存器中，直到累积足够数据来进行值得做的物理写入。
对本发明的领域特别有影响的一种不太为人所知的高速缓存机制是，为满足文件系统中的特定瓶颈的需要而设计的名字高速缓存(name cache)。
名字高速缓存的工作背景是文件系统通常存储指向文件和目录的物理位置的指针，以及文件和目录在逻辑层级结构中的名字。在这种结构中，单个的根目录通常是可以开始提取文件的初始位置。根(或顶层(top level)目录包括许多目录条目，这多个目录条目可以直接指向文件，或可选地，可以指向一个或多个第二层目录。这些第二层目录本身可以直接指向文件，或可以指向第三层目录。该目录嵌套可以往深处延续许多层。
设计名字高速缓存来解决的瓶颈，起因于用于从其唯一路径名开始来将文件定位在磁盘上的方法，其中，路径名包括文件名，其中，由找到该文件的子目录对文件名添加了前缀，依次又由找到该子目录的目录对该文件名添加了前缀；依此类推返回至根目录。
为了物理地定位文件，给出了路径名，文件系统必须
1)将表示文件名的字符串解析为其单独的目录和文件组件；
2)在磁盘上找到根目录；
3)重复每个目录条目的读取，直到找到与下一层目录的名字匹配的条目；
4)提取下一层目录的属性(包括其物理位置)，并在磁盘上找到它；
5)对路径中的每个目录重复步骤3和步骤4，直到到达最底层目录；
6)重复在最底层目录中的每一条目的读取，直到找到与文件名匹配的条目；
7)提取文件属性(包括文件的物理位置)。
可以通过使用名字高速缓存来减少字符串比较、文件系统的查找以及文件系统的读取的大量重复。这样存储了最近存取的文件和目录的物理位置以及它们的名字。
DNLC(目录/动态名字查找高速缓存)是在Unix/Linux家族的操作系统(统称为*nix)上所使用的这种名字高速缓存的一般实施。尝试在具有DNLC的系统上打开文件，首先通过哈希算法在高速缓存器中查找完全资格(full qualified)的路径名，然后基于高速缓存命中，从高速缓存的条目中直接提取文件的物理位置；如果高速缓存器中没有文件名，则在高速缓存器中查找目录(从最里向外)，并且如果存在对目录中的一个的高速缓存命中，则可以从高速缓存器中获得其物理位置，然后可以从磁盘上的那个点开始进行查找。假设在高速缓存器中至少有一些路径名，则该方法可以有效减少用于频繁存取的文件的磁盘访问。
所有当前的操作系统都将请求目录列表(directory listing)和请求打开文件看作是不同的和独立的操作。
本发明是基于很少会有孤立地做出目录列表的请求的情况；预计大多数目录列表都被请求打开该列表中的一个所返回的文件。关于计算装置中的目录搜索的最常用的情况是，在请求之后执行以下的应用：扫描目录，以及选择打开该目录中的一个或多个文件。
可以在许多操作系统中，特别是在引导处理的期间找到典型的实例。以Microsoft Windows为例，当频繁访问的Unix和Linux系统目录包括/etc、/bin和/lib时，许多文件是从诸如\Windows\system32的系统目录中加载的。当引导以及加载可执行文件和资源文件时，来自Symbian Software Ltd.的用于移动电话的高级操作系统Symbian OS^TM访问诸如\sys和\resource的目录。
执行这项工作的常用方法是通过从文件服务器请求目录列表开始，其中，文件服务器是负责提供对多个客户应用程序和进程的文件系统访问的元件。通过找到在磁盘上的目录信息，然后遍历(walk through)每个条目来构建返给客户的表来生成目录列表。客户接下来搜索文件表，将文件名传递给文件服务器以打开它-这里再次重新读取并搜索目录，以从磁盘上的文件位置来找到文件条目。
该方法明显的缺点在于不能识别出，目录搜索和随后的打开文件之间的连锁已经请求了完全不需要的对目录的第二搜索。当目录表最初建立的时候，所有关于文件位置的信息都是可以得到的，但是它被忽略了。因此，当文件实际被打开时，再次搜索关于该信息的目录时浪费了时间也因此浪费了电池电能。
可以将一个或多个目录列表保存在读高速缓存器中，在该情况下，在存储器中搜寻高速缓存的副本无疑要快于返回到物理磁盘上来搜寻高速缓存的副本。此外，如果文件或目录被频繁打开，则其物理位置有可以被保存在名字高速缓存器中。
但是，这些方法都不能解决有用信息(目录列表)由于第一次存取被丢弃而不得不两次存取、读取和搜索的的基本问题。即使读高速缓存器确实包括目录的副本，但这只能避免从磁盘读取目录的需要。读高速缓存器仍将不得不被搜索两次；并且名字高速缓存对于还没有被打开的文件来说将不会起到任何作用。
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于计算装置中文件的管理的改进方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种结合了目录结构的计算装置中的文件管理的方法，该方法包括：
a.设置文件系统的目录列表，以包括目录中每一条目的唯一识别标签；
b.当向客户提供目录列表时，保留该列表副本，其中，列表包括用于列表中每一条目的标签，该标签表明该条目所指示对象的物理位置；
c.接收请求，以通过引用对象的标签来打开对象；以及
d.提取所述对象的物理位置，并在其物理位置打开该对象。
根据本发明的第二个方面，提供了一种计算装置，用于根据所述第一方面的方法运行。
根据本发明的第三个方面，提供了一种用于计算装置的操作系统，用于使该装置根据第一方面的方法来运行。
下面将仅通过进一步的实例来描述本发明的实施例。
根据本发明，当客户请求目录列表时，文件系统构建两个表；一个返给客户，而另一个由服务器保存。返给客户的表是标准的目录表，其每一条目经过扩展以包括引用服务器侧表(server-side list)中的相应条目的标签。服务器保存的该表包括(最少)标签；以及关于每个文件在驱动器上的物理位置的信息(这是打开文件所需要的信息)。注意，由于返给客户的每一条目都被标上标签，因此客户可以自由地对其自己的表进行分类，而不破坏该表和服务器侧表之间的链接。
优选地，服务器例表被保存在数组中，表中每一项的标签还用作其对该数组的索引。
当客户想要打开文件时，文件服务器提供了一种新的打开文件的方法。代替作为参数被传递的文件名或路径名，该新方法将目录列表中一个条目的标签作为参数。
然后，文件服务器使用该标签来在其数组中找到位置信息，并将其传递至文件系统。接下来，文件可以立即被打开，而不必再次搜索目录。
该方法明显优于只高速缓存目录列表的系统，在只高速缓存目录列表的系统中，即使当高速缓存命中发生时，仍然必须利用名字来打开文件，这就导致了额外的搜索开销。这带来的多字符串比较，特别是对于使用Unicode(统一代码)文件名的现代系统来说，并不是微不足道的。
对于只读文件系统(这些用于ROM和ROFS磁盘)来说，因为磁盘的内容从不改变，所以已经描述的步骤足够了。因此，对在搜索目录列表之后加载文件的所有情况来说，性能都会有所改进；本发明的文件系统创新将总是允许直接利用标签打开文件，而不涉及到搜索。
为了将本创新扩展至可写驱动器，可以包括处理目录列表的改变的机制。这种改变可以包括，例如，现有文件的长度的改变、文件删除、或新文件的创建。
下面将描述用于实现其的多个可能机制。
如果目录改变了，最直接的机制是将整个服务器侧表标记为无效。在该情况中，通过传送其标签来尝试打开任意条目所引用的文件(或任意对象)，然后使文件服务器能够向客户返回错误代码，接下来回复到通过名字打开文件(或对象)。
对上述机制的一种改变实施是请求服务器侧表还存储文件名、以及文件的标签和物理位置。在该情况下，将标签传递给无效表上的文件会使文件服务器(而不是上述实例中的客户)能够回复到通过名字打开文件或对象，这对客户是透明的。
一种可选机制避免了在服务器侧表中必须存储文件名，该机制用于另一种方案的文件打开方法，其将标签和文件名都作为参数。该机制可以与可写文件系统一起使用，并且使该透明能够退回到通过上述服务器利用名字来打开文件，而不必在服务器侧表中存储文件名。
只要涉及到存储器的应用，那么在实施过程中不需要将文件名保存到服务器侧表中这一事实就特别有优势。对存储器来说，存储所有的名字(尤其是长的Unicode名字)可能会特别繁重；因此，DNLC名字高速缓存的多个*nix应用已经发现有必要将高速缓存的名字的长度限制为大约15个字符，这会严重影响名字高速缓存方案的有效性。电池供电的移动计算装置尤其会受到资源的限制，因此，即使对于可写装置来说，使得服务器列表能够简单存储标签和物理位置的方法也被认为是非常符合需要和有益的。
可选地，根据两个后面的机制中的任一个，在打开的名字指定的文件标签复原的同时，可以通过服务器自动更新服务器侧表。
还可以开发一组更复杂的机制：通过使文件服务器能够有效地监控可能潜在引起目录的改变的活动性并且能够动态调节其表的内容以确保其一直有效。例如，在进行改变以及使服务器侧数组中的单个条目无效、或用新信息来对其进行理想地更新之前，服务器可以被设置来检查在目录上是否存在打开文件列表。
在单个条目无效的情况下，可能将错误代码返给客户，或者如果如上所述服务器列表包括文件名，则服务器可以自动退回到通过名字来打开文件；任选地，服务器侧表条目可以被同时更新和重新生效。
将本发明应用到ROM/ROFS驱动器是最显著的，这是由于其直接改善了装置的引导时间。本发明这种形式的简单性意味着运行时间开销不会显著地超过服务器侧表的最初生成和存储；并且由于这种开销涉及到的是计算装置上的内部存储器而不涉及到慢速的外部介质，所以，第一次使用通过标签来打开文件的新调用时，将会几乎肯定地补偿最初的开销。
本发明的一个特殊的优点在于，本发明可以包括在多数的文件系统应用程序接口(API)中，而不破坏与以前客户API的兼容性。所需要的仅有的改变通常将会是一个和多个文件Open()函数(fileOpen()functions)，除了文件名之外或者取代文件名，这些函数还将标签作为参数。然而，可以确认，某些系统可能需要改变才能使用本发明，但是在多数情况中，将目录搜索和文件打开压缩成单个操作的方法，将在运行速度方面和电能消耗方面有益，从而使该方法适于使用本发明。
有多种确定文件服务器可以保存多少个目录列表的方法，下面将既述这些实例：
●可以为每个逻辑驱动器上的所有文件会话提供单个的服务器侧表；这在单个客户正在单个文件会话中上载文件，或在单个目录正被所有的文件会话使用的情况中是有益的。然而，这种情况实际上可能会相对很少发生，这是因为文件服务器用于使多个客户能够访问文件，而不会将它们彼此封锁。
●可以为每个文件会话提供一个服务器侧表。这可能会比单个服务器侧表使用更多的存储器，但是在使用文件服务器打开多个会话时，这仍是很有益的。
●还可以为每个文件会话提供多个服务器侧表；这可以通过硬连线的数量来实现，或可以通过引入其他方法来实现，这些其他方法为所有的文件会话提供一些最小数量的表，但是会允许它们请求额外表，直到达到固定的最大值或达到取决于像存储器使用和系统装入这样的因素的动态最大值。应该注意，在会话可能有多个表的情况中，服务器需要确保所使用的所有标签在所有表中是唯一的。
●可以使用在引导ROM中常用的系统目录的预编译表，这使得大量操作能够进行下去，而无需进行任何的目录搜索，并且这被认为在更快的引导时间方面是特别有益的。
可以通过对一个装置进行概要分析(profiling)发现普遍使用方式来确定这些选择中的哪个在任何特殊环境下都是最好的。本领域的普通技术人员将会知道如何实现这种概要分析，并且还将会理解存储器使用和速度之间的必要的平衡取决于环境，并且不能被预先严格规定。
因此，根据本发明，当读取计算装置上的目录时，文件服务器会在向客户应用程序传送列表时为列表添加多个唯一标签。文件服务器保存多个唯一标签的表以及与标签相对应的文件的物理地址。当客户想要打开文件时，可以通过向文件服务器传送标签来打开文件。这使得文件服务器能够直接加载文件，而不必进行第二次目录搜索以从其文件名来发现文件的物理位置。
本发明被认为提供了优于已知文件管理系统的几个显著优点，包括：
●当构建目录表时，通过保存文件的位置信息来避免重复搜索磁盘上的目录；这意味着客户可以根据该信息来立即打开文件，而不必再次搜索目录
●更快地搜索文件以将其打开；代码更短并且存取较慢的持久存储器会要求得更少。这在搜索相同目录之后执行文件加载时尤其有益
●由于较低功耗持久存储器能需要更少的存取和更少的CPU周期，因此可以实现移动计算装置上的提高了的电池寿命，从而，在客户满意和环境方面提供了好处
●当应用到用于引导装置的只读文件系统时，导致装置开机和装置变为可操作之间的时间更短。这直接改善了用户体验和效用，尤其是诸如移动电话、PDA和数码相机的便携式的电池供电的装置，它们经常被断电以节省电能，但是对于快速使用全部功能来说，这被认为是极其有用和重要的
●通过删除不想要的磁盘存取和目录搜索来优化速度和电能消耗。在这方面优于可以减少磁盘存取但不删除任何目录搜索的高速缓存法
●相比高速缓存整个目录，服务器侧表对存储器的要求要远比对高速缓存器的要求少得多。作为最少的服务器侧表由标签和物理磁盘地址构成。此外，在优选实施例中，标签可以用作对保存为数组的服务器侧表的一个索引，文件物理地址的检索就相当快了；与高速缓存器不同，无需进行任何的搜索
●相比常用的高速缓存技术，实现了少得多的管理开销；无论何时存在高速缓存缺失，维护和搜索快速缓存器都不是无关紧要的运用(exercise)并且都会有额外的负担
●对于大多数操作系统来说，可以相当快地实施本发明，并且对现有的API和数据结构只需要作出非常少的改变。因此，很有可能对现有软件的兼容性不会有任何的破坏
●这种方法非常普通，并且可以以由多种操作系统API所使用的流行风格和方式来实现，并且可以以多种编程语言来实现
●由于先前打开文件的方法操作起来没有变化，所以不需要改变任何现有的软件应用程序
●由于新的文件打开方法很简单，所以应用的开发者决定使用本发明只需很少的工作量。
尽管已经参照特定实施例描述了本发明，但应理解，在所附权利要求书限定的本发明的范围内，可以对本发明进行各种修改。