本文首发于稀土掘金。该平台的作者 逐光而行 也是本人。

一点感悟

随着对操作系统学习的逐渐深入，越来越感受到如下两点：

• 操作系统也有自己的“设计模式”，类似于人类社会的“管理模式”。从某种程度上说，操作系统管理调度和人文学科中的管理是互通的。
• 数据结构与算法，虽然在写业务代码的时候可能用不到，但都一一体现在了操作系统的架构设计中。

产生文件系统这个抽象概念的背景：

满足计算机长期存储信息的需要

三大要求：

• 能存储 大量 信息

（受虚拟地址空间大小限制，进程在其地址空间存储的信息有限）

• 信息不受使用的进程影响

（而进程终止时其保存的信息会丢失）

• 多个进程能 并发 访问有关信息

（某种程度上说信息必须和单个进程是解耦的，是一个独立的存在）

文件系统

这是进程创建的信息逻辑单元，是对在磁盘上保存信息而方便以后读取的物理实体的一种概念抽象。

从用户的角度看文件系统

文件命名

• win95、win98（虽然现在早没人用了）是属于MS-DOS系统类，即对文件命名不区分大小写
• 在unix系中，操作系统本身并不关心文件扩展名，用户自己改啥都行；而Windows系则严格规定。

文件结构

在操作系统看来，文件就是字节序列。（unix系以及Windows都是这种）

也有记录序列和树两种结构。前者现在已经没人用了，后者在一些处理商业数据的大型计算机上还应用广泛。

文件类型

探究其中的二进制文件--以可执行文件为例

文件属性

文件的附加信息称为属性（atribute）或元数据（metadata）

文件目录

• 进程切换工作目录是安全的
• 但进程不能随意更改库文件目录，否则会由于其他进程对目录的假设失效，导致其他进程无法正常运行。

目录操作

link：

从用户的视角看，在多个目录下都会出现该文件。

从操作系统的视角看，多个路径（的指针/映射）都指向了该文件（这句是我的理解）

unlink

删除文件的本质就是unlink。只不过对于文件只出现在一个目录下的情况，表现为该文件直接消失；而对于文件有多个link的情况，unlink仅解除某个指定路径的link。

链接文件的一种可选方式——符号链接

一个file name指向命名另一个文件的小文件，当访问该小文件时，文件系统沿着路径最终找到了file name ,并且通过file name再找文件。

其中，这个file name就是符号，起到了跳板的作用。（不知道有没有理解错）

通过这种机制，不仅能跨越磁盘的界限，还能访问远程计算机上的文件。

从操作系统的角度看文件系统

文件系统布局

文件系统存放在磁盘上。

文件存储实现的几种方案

连续分配

• 特点：将一连串连续数据块存储在磁盘上。

（我的理解是像划定一大块空间存放数组一样，存数据就赋值，取数据就将该位置置特殊值或移动指针）

• 由上述表述可知，它的缺点是时间长了会产生“碎片”，优点是简单、读性能好（只需要按顺序读取）
• 解决“碎片”问题的一种方案：维护一个“空洞列表”，当创建一个新的文件时，即确定该文件的最终大小。

（不过这是比较底层的了，即使有，普通用户也应该感知不到它的存在。比如我从来没有遇到要创建一个文件，系统提示我无法找到适合空间、从而创建失败的情况）

• 该方案的使用场景：对于 一次性写光学介质来说，这种方案是适用的。

链表分配

• 优点：充分利用每一个磁盘块
• 缺点：随机访问慢（要从头开始找）；磁盘块存储数据的字节数不再是2的整数次幂，降低了系统的运行效率（要读出完整块的信息，要耗费获得和拼接信息的开销）

在内存中使用文件分配表（file allocation table）的链表分配

（数组和链表的集合）

• 优点：整块都可以存放数据；数据访问也较纯链表容易
• 缺点：整张表占据的内存大，不实用。

i节点

给每个文件赋予一张表，称为i节点。表的内容格式如下：

这样，i节点的大小仅与可能要同时打开的最大文件数有关，而与实际磁盘大小无关。

当文件包含的磁盘块的数目超出了i节点所容纳的数目时，将其放入指针块地址中的附加地址处。

参考书籍

《现代操作系统》 Andrew S.Tanenbaum,Herbert Bos著，陈向群，马洪兵等译