3.2 - 文件系统抽象

一篇围绕文件系统抽象展开的学习笔记。

文件系统对上提供“按名字访问持久数据”，对下依赖“按块访问磁盘”。因此，本篇先讨论文件、目录与卷上的基本磁盘结构； 磁盘硬件细节放到后续硬件篇， 权限、一致性与 RAID 放到保护篇， POSIX 接口放到虚拟文件系统与 API 篇。

文件结构 ​

1. 逻辑记录与物理记录 ​

文件系统之所以需要抽象，是因为应用程序按逻辑单位思考数据，而磁盘按物理块进行 I/O。

两者之间通常不是一一对应关系。应用可能要读取某个偏移处的几十个字节，但文件系统必须先把包含这些字节的整个磁盘块读入内存，再返回目标范围的数据。

在Unix系统上，逻辑记录的最小单位是字节，而物理记录大小往往与磁盘有关。

2. 文件 ​

文件是操作系统对外存内容提供的统一逻辑视图。从用户角度看，数据必须先组织成文件，才能被命名、保存、共享和保护。

文件从抽象层看，更重要的是区分“文件内容组织”和“文件类型识别”：

Unix 的典型做法是将普通文件视为 8-bit byte sequence。这意味着内核通常不解释普通文件内部的语义，扩展名更多是给工具链和用户空间程序提供 提示，而不是文件系统必须理解的结构。

3. 文件访问方式 ​

文件访问方式直接影响后续的磁盘分配策略。

前者更接近流式读取；后者则要求文件系统能高效完成定位，否则随机读取会退化成大量寻址与I/O。

4. inode 与文件元数据 ​

目录项中的文件名并不是文件本体。多数 Unix 文件系统会把“文件名”、“数据”和“文件元数据”分开保存，最后者通常由 inode 承担。

inode 可以理解为文件控制块在 Unix 文件系统中的典型实现。它至少包含：

文件名可以存储于包含该文件的目录中，作为索引条目的键，inode 才是文件系统真正跟踪的对象。

目录结构 ​

1. 目录是一种特殊文件 ​

在 Unix 里，目录通常也被视为文件，只不过它的内容不是普通用户数据，而是一组“文件名 -> inode”的映射。

因为目录本身也是文件，所以目录自己也有 inode，也会作为上一级目录中的一个条目出现。这就自然形成了多级目录树。

2. 目录条目与多级目录 ​

使用路径索引多级目录的过程往往是“逐级查表”：

1. 从某个起点目录开始，如根目录或当前目录。
2. 取路径中的下一个名字。
3. 在当前目录中查找该名字对应的目录条目。
4. 若路径尚未结束，则继续在该条目指向的目录中查找下一个名字；直到路径结尾。

因此，路径解析本质上是一系列目录查找操作。文件系统之所以重视目录缓存，也是因为路径遍历会频繁访问目录。

3. 目录的组织方式 ​

目录条目表本身也需要一种组织结构。常见选择如下：

线性列表适合小目录，因为实现成本低；一旦目录很大，查找成本就会成为问题。 哈希表使用哈希索引列表，再使用文件名在冲突项目中二次索引，在大目录中往往比线性列表更快。

4. 硬链接与软链接 ​

硬链接是在目录中增加一个新的“文件名 -> inode”条目，因此多个目录条目可以指向同一个 inode。这也是删除文件在 Unix 里常被称为 unlink 的原因：删除的是目录项与 inode 之间的关联。

软链接是一种特殊文件，文件内容是目标路径名。它有自己独立的 inode，因此可以跨文件系统，也可以指向不存在的目标；访问软链接时需要额外做一次路径解析。

磁盘结构 ​

1. 分区、卷与原始磁盘 ​

文件系统管理的直接对象通常不是整块磁盘，而是卷。

两者关系并不固定：

原始磁盘上的数据被视为连续的字节序列，由使用者解释，而不是由文件系统解释。

2. 卷上的关键结构 ​

一个卷通常至少包含下面几类关键结构：

不同文件系统命名不同，但概念相近。比如 Unix 中常说的 superblock，就是卷控制块：它不是某个单独文件的元数据，而是整个卷的元数据。

3. 文件块分配方法 ​

文件系统必须回答一个实际问题：文件内容应该落到哪些磁盘块上。不同分配方式的差异，在于逻辑块到物理块的映射如何保存。不同分配方式的性能与文件的访问方式相关。

连续分配 ​

连续分配要求每个文件在磁盘上占据一段连续块区间。若文件从块 b 开始，占用 n 个块，那么第 i 个逻辑块的位置就是 b + i。

连续分配对于顺序访问与直接访问都具有良好的性能，但缺点在于存在外部碎片问题，且对于动态分配不友好。

链接分配 ​

链接分配将文件组织为磁盘块链表，每个数据块保存下一个数据块的指针。文件的块可以分散在卷的不同区域。

链接分配解决了连续分配的外部碎片问题，但带来了

1. 指针存储导致的额外空间占用
2. 指针错误导致后续数据块全部丢失
3. 直接访问需要遍历链表

为了解决问题1，成簇的链接分配会将多个连续磁盘块合并为一个链表节点，并指保留一个指针。

为了解决问题2/3，便使用了索引分配。

索引分配 ​

索引分配把数据块指针集中保存在索引块中。访问文件时，先通过索引块找到目标数据块，再进行实际 I/O。

索引分配不仅解决了连续分配的外部碎片问题，也解决了链接分配导致的遍历链表问题。 但缺点在于，索引分配需要预先分配索引块空间，在文件大小未知的情况下，索引块中保留的数据指针数目是不确定的，因此产生了多级索引。

Unix inode 中，前12个数据指针是直接索引，后三个指针分别是一级间接，二级间接与三级间接。

组合方案 ​

磁盘分配方式与访问方式有关，也与文件大小有关。为此，有的操作系统将多种分配方式结合，对于小文件采用连续分配，大文件使用索引分配。 也可以在创建文件时声明访问方式，对于只使用顺序访问的文件，使用连续分配，对于可能使用直接访问的文件，使用索引分配。

4. 空闲空间管理 ​

文件系统不仅需要管理已经分配的空间，也需要管理空闲空间。

最常见的记录空闲空间的数据结构如下：

空闲链表常见有两个优化：

小结 ​

本篇介绍了文件系统如何在“按块访问磁盘”的基础上，提供“按名字访问数据”的抽象。

围绕这一目标，讨论了：文件结构，目录结构与磁盘结构。

这些内容共同构成了 Unix 文件系统的基础模型，也为后续讨论权限保护、一致性与文件系统接口提供了基础。