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：
[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：
- 每个用户一个独立目录，支持多用户。
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。