操作系统学习（十）——文件系统

一、文件系统

在操作系统中，文件系统 是用于管理存储设备上数据组织与存取 的一种机制。

它是操作系统的重要组成部分，承担着对文件的创建、读写、组织、存储、访问控制等管理任务。

功能：

文件的创建与删除；
文件的读写与访问；
目录管理；
访问控制与权限管理；
空间管理（分配与回收）；
文件共享与保护；
挂载与卸载文件系统。

文件系统的关键内容：

文件（File）：用户数据和程序的逻辑单位，如文本、图像、音频、可执行程序等。
目录（Directory）：用于组织和管理文件的结构化机制。
路径（Path） ：标识文件位置的字符串，如 /home/user/file.txt。
卷（Volume） ：操作系统逻辑上的存储单位，一个卷可以是整个磁盘或其中的一部分。
文件控制块（FCB） ：用于描述文件属性的数据结构，如文件名、大小、创建时间、权限、指向数据块的指针等。

二、文件的实现

参考书------现代操作系统(第3版)。

1. 连续分配（Contiguous Allocation）

所有文件内容存储在连续的物理块中。
优点：访问速度快。
缺点：容易造成碎片，不易扩展。

连续分配示意图：

2. 链式分配（Linked Allocation）

每个文件由多个块 组成，块之间通过指针链接。
优点：无外部碎片，易于扩展。
缺点：随机访问慢，可靠性差（指针损坏）。

链式分配示意图：

3. 索引分配（Indexed Allocation）

每个文件有一个索引块，索引块中存放文件所有块的地址。
优点：支持快速随机访问，灵活。
缺点：索引块可能较大，占用额外空间。

4. i节点（index-node）

i节点 （Index Node）是文件在磁盘上的元信息结构，不包含文件名，但包含文件的所有属性和数据块索引信息。
每个文件都有一个 i节点，系统通过目录项找到 inode 来访问文件内容。
i节点是 Unix 和类 Unix 系统（如 Linux）中文件的核心数据结构，是文件控制块（FCB）的一种实现方式。

i节点包含信息：

项目	描述
文件类型	普通文件、目录、符号链接等
文件权限	rwx 属性（用户、组、其他）
所有者信息	UID（用户ID）、GID（组ID）
时间信息	创建时间（ctime）、访问时间（atime）、修改时间（mtime）
链接计数	表示有多少目录项引用此 inode
文件大小	字节为单位
数据块指针	指向实际数据块的指针：直接块、间接块等

文件访问中i节点：

css 复制代码

[文件名] → [目录项] → [inode编号] → [inode结构] → [数据块指针] → [磁盘块]

用户层通过文件名访问，内核则始终是"通过 inode 访问内容"。

碎片问题

内部碎片：文件未填满一个块，浪费部分空间。
外部碎片：磁盘上存在零散的空闲块，不能合并使用。

处理方法：

周期性磁盘整理（defragmentation）；
使用索引分配或日志文件系统避免外部碎片；
文件系统设计支持空间复用与预分配。

四、目录的实现

1. 目录的结构

单级目录结构：

所有文件放在一个目录下，简单但不支持组织管理。

两级目录结构：

树型目录结构（层次结构）：

支持嵌套子目录，是现代文件系统的主流结构（如 Linux、Windows）。

图型目录结构（带链接）：

支持硬链接与符号链接，实现多个路径访问同一文件。

2. 目录的实现方式

（1）线性表结构：

所有目录项依次存放；
查找效率低：O(n)；
简单实现，适合小目录。

（2）哈希表：

提高文件名查找效率；
增加实现复杂度；
NTFS、某些嵌入式文件系统使用。

（3）B+树/红黑树等平衡树：

快速查找/插入/删除；
ext4、NTFS中使用（ext4使用 HTree/B-tree）。

五、空闲空间的管理策略

1. 位图法（Bitmap）

用一个位图表示磁盘块的占用情况：1=已占用，0=空闲。

优点：

查找连续空闲块快；
节省空间（1位表示1块）。

缺点：

对大磁盘位图也会很大。

2. 链表法（Free List）

所有空闲块用链表链接；

优点：

实现简单；
插入删除效率高。

缺点：

不易查找连续空闲块。

3. 分组法（Grouping）

空闲块分组，每组记录若干空闲块的位置。

优点：

减少读取空闲块的次数；
提高分配速度。

4. 计数法（Counting）

记录空闲块的起始块号和连续块数。

优点：

适用于大块连续空闲空间；
表示效率高。

六、文件系统的实现结构

应用层接口（API） ：如 open(), read(), write(), close() 等。
逻辑文件系统（LFS）：处理文件描述、权限控制等。
文件组织模块（FOM）：处理目录和文件结构。
基本文件系统（BFS）：处理块分配、缓冲管理等。
I/O 控制层（IOCS）：驱动硬件与设备控制器。

七、常见的文件系统类型

文件系统	支持平台	特点
`FAT32`	Windows	简单、兼容性强，但不支持大文件（>4GB）
`NTFS`	Windows	支持权限、加密、压缩、日志
`ext3/ext4`	Linux	稳定可靠，支持日志、多用户管理
`XFS`	Linux	高性能、适合大文件
`APFS`	macOS	Apple 专用，支持快照与加密

八、现代特性（高级功能）

日志文件系统（Journaling）：记录操作日志，提高容错能力。
配额管理：限制用户使用磁盘空间。
快照（Snapshot） ：保存文件系统某个时间点状态。
加密与压缩 ：提高数据安全性与存储效率。
RAID 支持 ：将多个物理磁盘组合成一个逻辑磁盘来实现数据冗余、性能提升或二者兼顾。