操作系统（4）——文件系统

小程一言

本操作系统专栏，是小程在学操作系统的过程中的第一步，是在学习操作系统的笔记的前提下，加上自己的心得，以及资料的搜集，共同整合而成。小程在学习过程中，难免疏漏，希望各位前辈批评指正。

最主要参考书籍：现代操作系统、计算机操作系统（第四版）

书中内容有些生硬，so小程参考其他书籍内容进行了一些加工

第一本书饱受诟病的原因是流传思想有些过时，但是计算机有过时的思想吗？，底层逻辑的稳定是整个计算机的基石。现在的所有思想都是在基石之上。

面向群体：在校大学生，想要补齐基础知识短板的在职人员

文件系统管理

操作系统提供了文件的存储、组织和访问机制，使用户能够方便地保存和检索数据。

基础概念&功能

文件系统的定义 ：

文件系统是一个用于存储和组织计算机文件以及它们的数据的系统。它允许用户对文件进行访问、管理和维护。
文件的抽象 ：

文件是数据的逻辑存储单元，通常由文件名和文件内容组成。文件系统提供了一种抽象，使得用户可以方便地对文件进行操作，而不需要关心数据在物理存储介质上的具体存储细节。
目录结构 ：

文件系统通常采用层次结构来组织文件，这种结构称为目录（或文件夹）。目录可以包含文件和其他目录，形成了一个树状结构。
文件类型 ：

操作系统中的文件可以有不同的类型，例如普通文件、目录文件、设备文件等。每种文件类型都有其特定的属性和用途。
文件访问权限 ：

文件系统管理还包括对文件访问权限的控制。不同的用户和用户组可以有不同的权限来读取、写入或执行文件。
文件操作 ：

用户可以通过文件系统提供的接口对文件进行创建、删除、移动、重命名等操作。
文件系统类型 ：

不同的操作系统可能使用不同的文件系统类型，例如，Windows 使用 NTFS，Linux 使用 ext4，macOS 使用 APFS 等。每种文件系统都有其特定的特性和优化。
文件系统的性能 ：

文件系统的管理还包括对性能的优化，例如通过缓存机制减少对物理存储介质的访问次数，提高文件访问速度。
文件系统的安全性 ：

文件系统还负责确保数据的安全性，防止未授权访问和数据损坏。
文件系统的可靠性 ：

文件系统通过日志记录、事务处理和数据恢复机制来提高数据的可靠性。
文件系统的扩展性 ：

现代文件系统设计时考虑了扩展性，允许在不停机的情况下增加存储容量。
文件系统的兼容性 ：

文件系统需要支持不同设备和平台之间的数据交换，因此兼容性也是一个重要考虑因素。

基本概念

文件是操作系统中用于存储和管理数据的基本单位，可以包含文本、图像、音频、视频等多种类型的数据。文件系统是操作系统的一个重要组成部分，负责管理文件和目录的创建、删除、读取、写入和其他操作。文件系统通过文件目录结构来组织文件，并提供了一套文件操作的接口，使用户能够方便地管理文件资源。

文件的结构和属性

文件的结构通常包括逻辑结构和物理结构。逻辑结构是用户视角下的文件组织形式，如顺序文件、索引文件等。物理结构是文件在存储介质上的实际存储方式，如连续文件、链接文件等。文件的属性包括文件名、文件类型、文件大小、创建时间、修改时间、文件所有者和保护信息等。

文件的操作

文件操作是用户与文件系统交互的基本方式，包括文件的创建、打开、读取、写入、关闭和删除等。操作系统提供了一系列系统调用或API来执行这些操作。例如，在Linux系统中，open、read、write和close是执行文件操作的系统调用。

文件的安全性和权限控制

操作系统通过文件权限来控制对文件的访问。文件权限定义了文件所有者、所属组和其他用户对文件的读、写和执行权限。此外，操作系统还可能实施更复杂的安全机制，如访问控制列表（ACL）、安全增强型Linux（SELinux）等，以提供更细粒度的安全控制。

文件系统的实现和分配方式

文件系统的实现涉及文件的逻辑块与物理块之间的映射，以及文件存储空间的管理。操作系统通过文件分配算法（如连续分配、链接分配、索引分配等）来管理文件的存储。这些算法决定了文件在磁盘上的布局，影响文件的读写效率和存储空间的利用率。

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问题&解答

1、文件系统在操作系统中起到什么作用？

文件系统在操作系统中扮演着至关重要的角色，它是操作系统用来管理和组织计算机上的文件和目录的软件组件。文件系统的基本功能包括：

文件存储和管理：文件系统负责在存储设备上组织文件的方法和数据结构，它控制着计算机对磁盘上的数据进行读写的方式，并管理文件的创建、删除、修改和共享。
提供逻辑抽象：文件系统为应用程序提供了一个逻辑上的文件视图，隐藏了文件的物理存储细节，使得用户和程序可以通过文件名和路径来存取数据，而无需关心数据在存储介质上的实际位置。
文件保护和安全：文件系统通过权限控制确保只有授权的用户或程序才能访问特定的文件，从而保护数据免受未授权的访问和修改。
空间管理：文件系统负责跟踪磁盘上的可用空间和已使用空间，并对文件进行合理的分配和释放，以优化存储空间的使用效率。
数据完整性和可靠性：文件系统通过错误检测和纠正机制来保证数据的完整性，防止由于系统崩溃、媒体错误或其他原因导致的数据损坏。
文件系统的多样性：不同的操作系统支持不同类型的文件系统，如FAT、NTFS、ext系列等，每种文件系统都有其独特的特性和适用场景。

综上所述，文件系统是连接用户界面和物理存储设备的桥梁，它不仅简化了文件的管理，还提供了必要的数据保护和组织结构，是操作系统中不可或缺的部分。

2、文件的逻辑结构和物理结构有何区别？

文件的逻辑结构和物理结构的区别

文件的逻辑结构和物理结构是描述文件在内存中组织方式的两个不同概念。

逻辑结构

文件的逻辑结构是从用户的角度来看待文件内部数据的组织形式。它反映了用户可以直接处理的数据及其结构，并且独立于文件的物理特性。逻辑结构通常涉及数据记录的组织方式，例如记录式文件或流式文件。在记录式文件中，数据被组织成一系列记录，这些记录可以是定长或变长，并且每个记录包含一组相关的数据项。流式文件则没有固定的记录边界，而是被视为一系列连续的字符或二进制流.

物理结构

文件的物理结构，也称为文件的存储结构，是指文件在实际存储介质上的布局方式。它与存储介质的物理特性密切相关，决定了文件数据在外存中的存放位置和方式。物理结构包括数据的连续分配、链接分配或索引分配等。例如，顺序文件可以在物理上顺序存储或链式存储，而索引文件则通过一个额外的索引表来定位文件中的记录，以便提高检索效率.

4.总结

逻辑结构关注的是用户如何理解和操作文件中的数据，而物理结构关注的是操作系统如何在存储设备上实际存放这些数据。两者之间的区别在于抽象层次和实现细节的不同。

3、如何理解文件权限控制在操作系统中的工作原理？

文件权限控制的基本概念

文件权限控制是操作系统中用于管理用户对数据文件访问和操作的一种安全机制。在大多数操作系统中，文件权限通常包括读取（r）、写入（w）和执行（x）三种基本权限。这些权限可以分配给文件的所有者、所有者所属的用户组以及其他未指定的用户。
文件权限的工作原理

当用户尝试访问或操作一个文件时，操作系统会根据文件的权限设置来判断是否允许该操作。这个过程涉及到检查用户的身份（用户ID或用户组ID）以及用户是否有权执行所请求的操作（读、写、执行）。如果用户的权限符合文件的权限设置，则操作被允许；如果不符合，操作将被拒绝。
权限控制的层次结构

文件权限控制通常采用多级层次结构，最常见的是三层权限模型，分别针对文件所有者、用户组和其他用户。此外，有些系统还支持访问控制列表（ACLs），它提供了比传统的用户/组权限更为细致的控制方式。
权限控制的实现细节

在Linux系统中，文件权限控制还涉及到访问控制列表（ACL）和访问权限掩码（umask）。ACL是存储在文件系统中的数据结构，用于指定每个文件的访问权限，而umask是一种权限屏蔽机制，用于限制新创建文件的默认权限。
权限控制的实际应用

文件权限控制不仅限于保护文件不被未授权访问，它还可以用于维护系统的稳定性和安全性。例如，通过限制对关键系统文件的写入和执行权限，可以防止恶意软件或不当操作破坏系统。