文件系统基础

(1) 核心定义
文件系统是操作系统用于在磁盘或分区上组织、存储和检索文件和目录的一种机制。它通过定义文件和目录的结构、存储方式以及访问权限等规则，为用户提供了一个高效、有序的方式来管理和使用数据。文件系统是连接用户与存储硬件之间的桥梁，抽象了硬件设备的物理特性，使得用户可以像操作文件和目录一样简单地进行数据存储和检索。

(2) 关键特征或步骤
文件属性包含文件的基本信息（文件名，文件类型，文件物理位置，文件逻辑结构），存取控制信息（所有者，访问修改日期），使用信息（创建、修改时间）
FCB是OS为每个文件建立的唯一数据结构，用于管理、控制、和按名存取文件，包含文件所有属性，文件由FCB和文件数据两部分组成，其中FCB的有序集合称为目录
为了提高文件查找速度，将文件名和索引节点指针保存在目录中。

索引结点可分为内存索引节点和磁盘索引节点，其中磁盘包含文件链接计数（指向该文件的指针个数，硬链接），文件物理地址，存取权限，类型，长度等，内存索引节点包含编号，状态，访问计数（访问i节点的进程个数），逻辑设备号和链接指针。

• 文件的逻辑结构
  • 无结构文件：将文件看作是字符流的集合，操作系统不对文件内的数据进行结构划分，完全由应用程序来解释和管理文件的内容。这种结构简单灵活，适用于各种不同类型的数据，如文本文件、可执行文件等。应用程序可以根据自身的需要对文件进行读写操作，不受操作系统对文件内容结构的限制。
  • 有结构文件：文件被划分为多个逻辑记录，每个记录具有固定的长度和格式，操作系统根据记录的边界进行读写操作。这种结构适用于具有固定数据格式的应用场景，如数据库文件等，能够提高数据存储和检索的效率，方便对数据进行批量操作和索引管理。
• 文件的物理结构
  • 连续结构：文件的所有数据块在磁盘上是连续存放的，这种结构的优点是文件的读写速度快，因为磁头移动距离短，数据访问的延迟小。然而，缺点也非常明显，即在文件频繁增删改的情况下，很难找到足够大的连续存储空间来存放文件，容易导致存储空间的碎片化，降低了磁盘空间的利用率。
  • 链式结构：文件的各个物理块通过链接指针顺序链接起来，每个物理块包含数据部分和指向下一个物理块的指针。这种结构的优点是文件的存储空间分配灵活，无需连续空间，能够有效地利用存储空间，避免碎片化问题。但是，缺点是文件的访问速度相对较慢，因为需要逐个通过链接指针访问各个数据块，增加了访问延迟。
  • 索引结构：文件系统为每个文件建立一个索引表，索引表中存放文件数据块的地址信息。这种结构综合了连续结构和链式结构的优点，既能够灵活地存储文件数据，又能够实现较快的文件访问速度。通过索引表可以快速定位到文件的任意位置，便于对文件进行随机访问操作。
• 文件的存储空间管理
  • 位图法：用一个位图来表示磁盘存储空间的使用情况，每一位对应磁盘上的一个物理块，0表示该块未被占用，1表示已被占用。这种方法的优点是空间分配和回收操作简单，能够快速找到连续的空闲空间。但是，缺点是位图本身会占用一定的存储空间，且当磁盘容量较大时，位图的管理开销也会相应增加。
  • 空闲表法：通过一个空闲表来记录磁盘上所有空闲空间的信息，包括空闲块的起始位置和长度。这种方法的优点是能够详细地记录空闲空间的情况，便于进行高效的存储空间分配。然而，缺点是空闲表的管理比较复杂，特别是在文件频繁增删改的情况下，空闲表的更新和维护工作量较大。
  • 成组链接法：将多个空闲块组织成一组，每组有一个头块，头块中存放该组空闲块的数量和下一组头块的指针。这种方法既能够简化空闲表的管理，又能够减少存储空间的浪费，是一种比较折中的存储空间管理方法。
• 文件的分配方式
  • 顺序分配：按照文件的逻辑顺序依次分配存储空间，通常用于磁带等顺序存储设备。这种分配方式的优点是文件的读写速度较快，因为数据是顺序存放的，磁头移动距离短。但是，缺点是存储空间的利用率较低，容易产生存储碎片，且文件的扩展性较差，当文件需要增大时，很难找到连续的存储空间来扩展文件。
  • 随机分配：文件的各个数据块可以在存储空间中任意位置分配，通常用于磁盘等随机存储设备。这种分配方式的优点是存储空间的利用率较高，能够灵活地利用存储空间，避免碎片化问题。然而，缺点是文件的访问速度相对较慢，因为需要进行复杂的地址转换和磁头寻道操作。
• 文件的目录结构
  • 单级目录结构：所有文件都存放在同一个目录中，这种结构简单，但随着文件数量的增加，管理会变得困难，容易出现文件名冲突等问题。
  • 两级目录结构：将目录分为用户文件目录和主文件目录，用户文件目录存放用户的文件控制块，主文件目录存放用户文件目录的索引。这种结构能够较好地解决文件名冲突问题，提高文件管理的效率。
  • 多级目录结构：目录可以嵌套多层，形成树形结构。这种结构的优点是能够方便地组织和管理大量的文件和目录，用户可以按照自己的需要创建多级目录结构，对文件进行分类管理。同时，多级目录结构也能够提高文件检索的效率，通过路径名可以快速定位到目标文件或目录。

建立文件时，首先提供空闲管理方法找到空闲块，为其分配磁盘索引节点、内存索引节点和FCB，将磁盘索引节点指针和文件名组成新的目录项，记录到目录文件当中。之后是设置文件的内存索引信息，为新文件分配用户打开文件表和系统打开文件表，并为后者设置初值，最好返回用户文件表。

删除文件应删除文件目录中的相应目录项，把该文件占用的进程空间释放，包括FCB

打开文件首先检索目录，OS根据文件名来查找文件，找到文件后将其磁盘索引节点复制到内存索引节点表中，并将FCB调入内存。
如果文件已经被打开，则仅需把内存索引节点中的引用计数加一即可。
打开合法时，为文件分配用户打开文件表项和系统打开文件表项，并为后者设置初值，通过指针建立表项和内存索引节点之间的关系，将文件描述符FD返回给用户。
关闭文件时，根据fd找到用户打开文件表项，再找到系统打开我呢见表项，将该文件从用户打开文件表条目上删除，把对应系统打开文件表项中的文件打开计数减一，当为0时，说明此时没有其余进程共享，将其内存索引节点复制到相应磁盘索引节点，释放此内存索引节点。
(3) 典型应用场景

• 个人计算机操作系统
  • 在个人计算机的Windows、macOS等操作系统中，文件系统负责管理用户的各种文档、图片、视频等数据文件。用户可以通过文件浏览器方便地查看、创建、修改和删除文件和目录，操作系统在后台根据文件系统的规则进行存储空间的分配和管理，保证文件数据的安全和完整性。例如，在Windows系统中，NTFS文件系统支持大容量存储设备，具有良好的文件安全性、稳定性和兼容性，能够满足用户日常的各种文件操作需求。
• 服务器操作系统
  • 对于服务器操作系统如Linux、UNIX等，文件系统在服务器的运行和数据管理中发挥着关键作用。服务器通常需要存储大量的业务数据，如网站数据、数据库文件等。文件系统不仅要保证数据的高效存储和快速访问，还需要具备高可靠性、高并发访问能力和数据备份恢复功能。例如，Linux系统中的ext4文件系统具有良好的性能和可靠性，在服务器环境中能够稳定地运行，支持大容量存储设备和高并发文件访问操作。
• 移动设备操作系统
  • 在智能手机、平板电脑等移动设备中，文件系统负责管理设备上的应用程序数据、用户照片、视频等文件。由于移动设备的存储空间相对较小，文件系统需要在有限的空间内高效地存储和管理文件数据，同时还要保证文件访问的速度和安全性。例如，Android系统的文件系统采用Linux内核的文件系统，通过合理的存储空间管理机制，能够有效地利用设备的存储空间，满足用户在移动设备上的各种文件操作需求。
• 分布式文件系统
  • 在分布式计算环境中，如Hadoop分布式文件系统（HDFS）、Google文件系统（GFS）等，文件系统需要管理分布在多个节点上的文件数据，实现数据的分布式存储、高可用性和容错能力。分布式文件系统通过将文件分割成多个数据块，并将这些数据块存储在不同的节点上，同时进行数据备份和冗余存储，确保数据的可靠性和安全性。例如，在大数据处理场景中，HDFS能够高效地存储和处理海量的数据，支持大规模集群环境下的文件读写操作，为分布式计算提供了强大的存储基础。
• 云存储服务
  • 云存储服务提供商如Amazon S3、阿里云OSS等，其底层也依赖于先进的文件系统技术。这些云存储服务通过文件系统实现了数据的分布式存储、弹性扩展和高可用性，用户可以通过网络接口方便地上传、下载和管理文件数据。云存储服务中的文件系统需要具备高度的可扩展性，能够根据用户的存储需求动态地分配存储资源，同时还要保障数据的安全性和隐私性。