文件系统结构

什么是文件系统？

文件是数据的连接集合。文件系统存储在辅助存储上，通过允许保存、查找和检索数据，提供了有效实用的磁盘访问。一个操作系统的文件系统实现描述了文件系统如何控制物理存储设备（如闪存驱动器、固态硬盘或硬盘）上的数据存储和检索。

由于它直接影响系统的性能、可靠性和安全性，因此文件系统实现是一个操作系统的重要组成部分。根据系统的具体需求和预期用途，不同的操作系统采用不同的文件系统实现。Windows中的NTFS和FAT，以及Linux中的ext4和XFS是操作系统中常见文件系统的两个例子。

文件系统结构

文件系统通过允许以方便的方式存储、定位和检索文件，来提供对磁盘的高效访问。文件系统必须能够存储文件、定位文件和检索文件。

大多数操作系统都采用分层方法来处理包括文件系统在内的所有任务。文件系统的每一层都负责一些活动。

下图展示了文件系统如何分为不同的层，以及每一层的功能。

• 当应用程序请求访问文件时，第一个请求会导向逻辑文件系统。逻辑文件系统包含文件的元数据和目录结构。如果应用程序没有文件的required permissions（所需权限），此层将抛出错误。逻辑文件系统还会验证文件的路径。
• 通常，文件被分成多个逻辑块。文件需要存储在硬盘上并从中检索。硬盘被分成多个磁道和扇区。因此，为了存储和检索文件，逻辑块需要映射到物理块。这个映射由文件组织模块完成。它还负责空闲空间管理。
• 一旦文件组织模块决定了应用程序需要哪个物理块，它会将此信息传递给基本文件系统。基本文件系统负责发出命令给I/O控制以获取这些块。
• I/O控制包含可以访问硬盘的代码。这些代码称为设备驱动程序。I/O控制也负责处理中断。

文件系统如何工作

数据在文件系统中进行组织和存储。它可以被看作是设备上所有存储信息的索引。文件系统不仅用于SSD和HDD，还用于光盘、闪存驱动器和磁带。文件系统规定了文件名中可以使用的最大字符数、可以使用的字符以及（在某些系统中）文件名扩展的长度。在许多文件系统中，文件名不区分大小写。

除了实际数据之外，文件系统还跟踪文件的元数据。元数据可能包含文件大小、创建日期和目录位置等信息。大多数文件系统使用目录层次结构来组织文件，每个文件的路径描述了它在目录结构中的位置。以根目录为顶部，目录（Windows中的文件夹）以倒置的树状结构排列。每个文件都位于目录或子文件夹内的树状结构中的适当位置。

在指定存储介质上的文件和目录之前，必须创建一个或多个分区。像独立的驱动器一样，分区是操作系统独立于其他分区控制的存储的一部分。为了获得更大的灵活性，每个分区都可以使用不同的文件系统进行格式化。

通过将数据和活动分开到不同的分区中，可以提高性能、安全性和维护性。例如，计算机上的SSD可能有三个分区：一个用于操作系统数据，一个用于用户文件，一个用于系统恢复文件。即使一个分区上的文件系统损坏，独立分区上的数据也会受到保护。

各种文件系统类型

文件系统有多种类型，每种都有其独特的功能和操作系统兼容性。典型的文件系统类型包括以下几种：

• File Allocation Table 32，即FAT32，与许多操作系统兼容，常用于早期版本的Windows。
• 现代Windows操作系统使用New Technology File System (NTFS)，它提供了增强的安全、可靠性和性能。
• Linux发行版使用ext4（Fourth enhanced File System），它提供日志记录、大文件支持和增强的文件特性等功能。
• 在macOS High Sierra之前，macOS计算机使用HFS+（Hierarchical File System Plus），它支持日志记录和不区分大小写的文件名。
• APFS（Apple File System）是macOS和iOS设备的默认文件系统，最初在macOS High Sierra中推出，提供了改进的性能、安全性和快照功能。
• Zettabyte File System，即ZFS：一个高性能的文件系统，以其高级功能而闻名，如高效的快照、卷管理和数据完整性。

文件系统的优点

• 高效的数据存储：文件系统实现确保在物理存储设备上高效存储数据。它提供了一种有条理的文件和目录组织方法，使得文件访问和查找变得简单。
• 数据安全：文件系统实现中包含了控制文件安全和权限的功能。这确保了敏感信息免受未经授权的访问。
• 数据恢复：文件系统实现包含了保持数据完整性和从系统故障中恢复的功能。在系统发生故障时，这可以防止数据丢失，并确保数据能够恢复。

文件系统的缺点

• 引导控制块：引导控制块通常是磁盘的第一个块，其中包含启动操作系统所需的数据。在NTFS中称为分区引导扇区，在UNIX中称为引导块。
• 卷控制块：卷控制块包含特定分区的信息，例如大小、空闲块的数量以及指向块的指针。它包含在NTFS的主文件表中，在UNIX中称为超级块。
• 目录结构：目录结构存储文件名及其对应的inode号。它包含在NTFS的主文件表中，在UNIX中包含文件名和相关文件名。

常见问题

1. 什么是文件系统？

操作系统使用文件系统来控制数据在SSD和硬盘等存储设备上的保存和访问方式。它提供了文件的逻辑表示，以便程序和用户可以在不了解磁盘实际结构的情况下处理数据。

2. 文件系统由哪些组成部分构成？

文件管理结构，如inode或文件分配表、文件、目录和元数据是文件系统的主要组成部分。包含数据的基础存储单元称为文件，目录有助于文件的结构化分层构建。元数据包含文件大小、创建日期和权限等详细信息。为了将文件映射到存储介质上的实际位置，使用了分配结构。

3. 文件与目录有何区别？

文件是存储在标题下的一组相关数据，而目录是一个独特的、保存有关其他文件和目录信息的特殊文件。为了使用户能够逻辑地导航和存储文件，目录有助于文件系统的管理和组织。

4. 文件系统如何处理磁盘空间？

文件系统使用计数（跟踪块以及顺序中的空闲块数量）、分组（将空闲块的地址存储在块本身中）、空闲列表（可用块的链接列表）和位图（其中每个位表示块的状态）来监控未使用的空间。