虛擬文件系統(tǒng)

在 Linux 文件系統(tǒng)中，用戶空間、系統(tǒng)調(diào)用、虛擬機文件系統(tǒng)、緩存、文件系統(tǒng)以及存儲之間存在著緊密的關(guān)系。 如下圖：

在操作系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)起到了重要的作用，它們負(fù)責(zé)管理操作系統(tǒng)中的文件和目錄。然而，不同的文件系統(tǒng)有著不同的實現(xiàn)方式和存儲位置。為了提供一個統(tǒng)一的接口給用戶，操作系統(tǒng)引入了虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System，VFS）作為中間層。

VFS 定義了一組通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口，使得程序員無需了解具體文件系統(tǒng)的工作原理，只需要了解 VFS 提供的接口即可進(jìn)行文件操作，其實連提供的接口各種編程語言都替我們封裝好了，只需要調(diào)用一些方法就完事了。

Linux 支持多種文件系統(tǒng)，根據(jù)存儲位置的不同，可以將文件系統(tǒng)分為三類。

1. 磁盤的文件系統(tǒng)，它將數(shù)據(jù)直接存儲在磁盤中，例如 Ext 2/3/4、XFS 等。
2. 內(nèi)存的文件系統(tǒng)，這類文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，如 /proc 和 /sys 文件系統(tǒng)，讀寫這些文件實際上是讀寫內(nèi)核中相關(guān)的數(shù)據(jù)。
3. 網(wǎng)絡(luò)的文件系統(tǒng)，用于訪問其他計算機主機的數(shù)據(jù)，例如 NFS、SMB 等。

為了正常使用文件系統(tǒng)，首先需要將其掛載到某個目錄上。例如，在 Linux 系統(tǒng)啟動時，會將文件系統(tǒng)掛載到根目錄，從而使文件系統(tǒng)可用。

文件的物理結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理磁盤中的數(shù)據(jù)，并將其呈現(xiàn)為易讀的形式，使我們不需要關(guān)心數(shù)據(jù)的具體存放位置及其存儲方式。操作系統(tǒng)背后的機制將數(shù)據(jù)存儲在磁盤上，以便我們可以方便地訪問和操作。

在操作系統(tǒng)的輔助下，我們看下文件的物理結(jié)構(gòu)是如何在磁盤中存儲的。

文件塊

我們知道，物理磁盤上存儲的最小單位是扇區(qū)，通常為512字節(jié)。這意味著即使一個數(shù)據(jù)不足512字節(jié)，它仍然會占用512字節(jié)的磁盤空間。然而，由于扇區(qū)的大小較小，會導(dǎo)致讀寫效率降低。

為了方便管理和訪問文件，操作系統(tǒng)引入了邏輯塊的概念。幾乎所有的文件系統(tǒng)都會將文件分割成固定大小的塊來存儲，前面我們說過通常一個塊的大小為4KB。如果磁盤的扇區(qū)大小為512字節(jié)，而文件系統(tǒng)的塊大小為4KB，那么文件系統(tǒng)的存儲單元就是8個扇區(qū)。這也解釋了為什么文件的大小和占用空間之間存在差異。文件的大小指的是文件本身的實際大小，但并不一定等于占用的空間大小。因為不管文件的大小是否達(dá)到4KB，只要有數(shù)據(jù)，都會分配給它一個塊進(jìn)行存儲。

需要注意的是，在Windows的NTFS文件系統(tǒng)中，如果寫入的數(shù)據(jù)很小，小于1KB，它將被存儲在文件表中，而不是以4KB為單位的塊中。但一旦數(shù)據(jù)超過1KB，將會分配4KB的存儲空間。

內(nèi)存管理也采用類似的邏輯塊的概念。文件的邏輯地址也被分為一塊塊的文件塊，邏輯地址由邏輯塊號和塊內(nèi)地址組成。用戶通過邏輯地址來操作文件，而操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成邏輯地址與物理地址的映射，以實現(xiàn)對文件的訪問和操作。

文件分配方式

文件分配方式大致可以分為連續(xù)分配和非連續(xù)分配兩種。連續(xù)分配是指將文件的數(shù)據(jù)塊連續(xù)地存儲在磁盤上的相鄰區(qū)域，類似于Java中的數(shù)組。非連續(xù)分配則是將文件的數(shù)據(jù)塊分散存儲在磁盤上的不同區(qū)域，類似于Java中的鏈表。

連續(xù)分配

這種分配方式可以提高訪問速度，因為文件的塊是連續(xù)存儲的，所以在訪問文件時不需要進(jìn)行磁頭的來回移動，可以直接順序訪問。這種順序訪問的特性使得連續(xù)分配適用于訪問模式較為順序的文件，比如視頻文件或音樂文件。

那么操作系統(tǒng)如何完成邏輯塊與物理塊之間的映射呢？

在實際情況中，每個文件都會被放置在一個目錄中，無論是最外層的根目錄還是用戶自己創(chuàng)建的目錄，都會有一個對應(yīng)的目錄結(jié)構(gòu)文件，它記錄了當(dāng)前目錄下的目錄項和文件信息。如圖所示：

具體來說，操作系統(tǒng)通過邏輯塊號和塊內(nèi)地址的映射關(guān)系來實現(xiàn)邏輯塊與物理塊之間的對應(yīng)關(guān)系，即（邏輯塊號，塊內(nèi)地址）-> （物理塊號，塊內(nèi)地址）。對于用戶訪問一個文件的內(nèi)容，操作系統(tǒng)會通過文件的標(biāo)識符找到對應(yīng)的目錄項，并通過邏輯塊號計算出物理塊號，即物理塊號 = 起始塊號 + 邏輯塊號。由于可以根據(jù)邏輯塊號直接計算出物理塊號，所以連續(xù)分配方式支持順序訪問和隨機訪問。

連續(xù)分配方式在讀寫文件時效率較高，因為文件的磁盤塊是相鄰的，減少了移動磁頭的時間。這也是為什么一些中間件或數(shù)據(jù)庫在寫文件時采用順序?qū)懙臋C制，以提高處理速度。

連續(xù)空間存放的方式雖然讀寫效率高，但是缺點也很明顯，有「磁盤空間碎片」和「文件長度不易擴(kuò)展」的缺陷。

然而，連續(xù)分配方式也存在明顯的缺點，主要是磁盤空間碎片和文件長度不易擴(kuò)展。當(dāng)一個文件被刪除時，會留下一塊空缺，如果新文件的大小小于該空缺的大小，可以將其放置在空缺中。但如果新文件的大小大于所有空缺的總大小，即使磁盤上有足夠的空閑空間，也無法存放該文件。在這種情況下，我們可以通過移動已有文件來騰出空間以容納新文件，但是磁盤上的文件移動是非常耗時的，因此這種方式并不太實際。

另一個問題是文件長度擴(kuò)展不方便。例如，在上述圖示中，如果文件A需要擴(kuò)大，就需要更多的磁盤空間。然而，唯一的辦法就是通過移動文件來騰出足夠的空間，而這種方式的效率非常低下。

那么有沒有更好的方式來解決上面的問題呢？確實，為了解決連續(xù)分配方式的問題，可以采用非連續(xù)空間存放方式，如鏈?zhǔn)酱鎯?、索引存儲和組織表等方式。這些方式可以克服連續(xù)分配方式的空間碎片和文件長度擴(kuò)展不方便的問題。那這種非連續(xù)的分配方式我們下回講解！

總結(jié)

本文主要討論了操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的實現(xiàn)和分配方式。首先介紹了虛擬文件系統(tǒng)（VFS）作為中間層，統(tǒng)一了不同文件系統(tǒng)的接口。然后介紹了文件的物理結(jié)構(gòu)，包括文件塊和邏輯塊之間的映射關(guān)系。接著詳細(xì)討論了連續(xù)分配方式的特點和優(yōu)缺點，包括順序訪問和隨機訪問的效率，以及磁盤空間碎片和文件長度擴(kuò)展不方便的問題。為了知識的消化理解，本章留下的問題我們下一章再詳細(xì)講下！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-695060.html

到了這里，關(guān)于操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的實現(xiàn)和分配方式探析（上）的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！