📁 文件系统
inode结构 · 磁盘分配方式 · 磁盘调度算法 · 目录结构
📂 目录结构
树形目录 · 目录项 · 路径表示
目录结构类型： 单级目录： 所有文件在同一个目录（早期系统）两级目录： 系统目录 + 用户目录（隔离用户）树形目录： 多级嵌套，现代OS主流无环图目录： 允许共享文件（硬链接），需垃圾回收路径表示： /home/user/file.txt../doc/
📂 树形目录示例
/ 根目录
📂 bin 系统命令
📂 home
📂 alice
📄 readme.txt
📄 code.c
📂 bob
📂 usr
📂 var
📄 = 普通文件 📂 = 目录文件
🗃️ inode与文件寻址
inode存储文件元数据 · 多级索引支持大文件
inode（索引结点）内容： 磁盘地址（寻址信息） ← 关键！寻址结构（UNIX）： 直接地址 块（每个块4KB）一级间接 块（指向一个索引块）二级间接 块三级间接 块
📊 最大文件大小计算（例）： 1024个 地址直接： 12 × 4KB = 48KB 一级间接： 1024 × 4KB = 4MB 二级间接： 1024² × 4KB = 4GB 三级间接： 1024³ × 4KB = 4TB 合计： ≈ 4TB + 4GB + 4MB + 48KB
inode寻址结构图
inode
直接地址[0] → 块12
直接地址[1] → 块45
...
直接地址[11] → 块78
一级间接 → 块200
二级间接 → 块512
三级间接 → 块2048
💾 磁盘分配方式
连续分配 · 链接分配 · 索引分配 · 对比优缺点
连续分配： 文件占用连续的磁盘块。优点： 支持顺序访问和随机访问 （直接算出块位置）缺点： 外部碎片 、文件大小难以增长适用： CD-ROM、DVD等只读介质
隐式链接分配： 每个块存下一个块的指针，形成链表。优点： 无外部碎片、易于文件增长缺点： 不支持随机访问 （必须遍历）、指针损坏则文件丢失适用： 顺序访问的文件（如音频、视频流）
显式链接（FAT表）： 把所有指针集中存放在FAT表 （File Allocation Table），每个磁盘块在FAT中有一个表项。优点： 随机访问快（查FAT即可）、FAT可缓存缺点： FAT占用额外空间（磁盘越大FAT越大）经典应用： FAT32（Windows 95/98）、FAT16（DOS）
块号 0 1 2 3 4 5 6 7 FAT项 2 5 3 6 -1（结束） 7 -1 -1 空闲 含义 文件A第1块 文件A第2块 文件A第3块 文件A第4块 文件A结束 文件B第1块 文件B结束 文件C 空闲
索引分配： 为每个文件创建一个索引块 ，里面存放该文件所有块的地址。优点： 支持随机访问、无外部碎片缺点： 小文件也需一个索引块（开销）；大文件需要多级索引 经典应用： UNIX inode（直接+间接索引混合）
索引块示例（文件A）
索引[0]
索引[1]
索引[2]
索引[3]
...
� disc 磁盘调度算法
寻道时间是磁盘I/O的主要开销 · 对比四种算法
FCFS
SSTF
SCAN（电梯）
C-SCAN
算法对比
📃 文件逻辑结构（文件在用户眼中的组织方式）
文件按逻辑结构分为三类：顺序文件、索引文件、索引顺序文件
📖 为什么需要逻辑结构？
① 顺序文件（Sequential File）
文件中的记录按顺序 排列，一条接一条。✅ 优点： 简单、适合批量读写（磁带/流式文件）❌ 缺点： 查找慢（只能顺序查找）、增删记录麻烦典型： 日志文件、早期的磁带文件系统
② 索引文件（Indexed File）
为文件建立一张索引表 （记录号→磁盘块号），通过索引表快速查找。✅ 优点： 查找快（O(1)）、支持变长记录❌ 缺点： 需要额外空间存索引表典型： 数据库索引、现代文件系统
③ 索引顺序文件（Indexed Sequential File）
先按关键字排序 （顺序文件），再为每组建立索引 （索引文件）。✅ 优点： 兼顾顺序访问和随机访问❌ 缺点： 维护索引有开销典型： 大型数据库、ISAM索引
📝 408考点： 查找慢、增删麻烦 磁盘的专用块 中（不是跟文件数据混在一起）既要顺序访问，又要随机访问 的大型文件
🔗 文件共享（硬链接 vs 软链接/符号链接）
多个进程如何共享同一个文件？两种方式对比 + 动画演示
📖 文件共享的两种方式： 硬链接（Hard Link）： 多个目录项指向同一个inode （同一个文件）软链接（Symbolic Link / 符号链接）： 创建一个新文件 ，内容是被链接文件的路径名
硬链接（Hard Link）
原理： 多个文件名指向同一个inode inode链接计数： 每建一个硬链接，inode的链接计数+1 删除文件： 只有链接计数=0时，才真正删除文件数据✅ 优点： 真正共享（修改同步）、删除原文件不影响硬链接❌ 缺点： 不能跨文件系统（inode号只在同一个文件系统内唯一）、不能链接目录（防止环）
软链接（Symbolic Link / 符号链接）
原理： 创建一个新文件 （类型为"链接文件"），内容是被链接文件的路径名 inode链接计数： 不增加（软链接有自己的inode）删除原文件： 软链接变成悬空链接 （dangling link），访问会报错✅ 优点： 可以跨文件系统、可以链接目录❌ 缺点： 访问需要额外一次读软链接文件的操作（性能稍差）
📝 408高频考点： 不能 （防止目录树出现环，只能用软链接）能 （链接计数>0）；软链接不能 （悬空链接）
💾 存储空间管理（成组链接法 —— UNIX文件系统经典算法）
管理磁盘空闲块的方式：位图法、链接法、成组链接法（UNIX专用）
📖 为什么要管理存储空间？ 空闲 的（可以分配给新文件），哪些是已分配 的。这就是空闲空间管理 。
① 位图法（Bitmap）
用一位 表示一个磁盘块的空闲/占用状态。✅ 优点： 简单、容易找到连续空闲块❌ 缺点： 位图本身需要占用存储空间（磁盘很大时，位图也很大）典型： Windows NTFS的$Bitmap文件
② 链接法（Linked List）
把所有空闲块链接 成一个链表。✅ 优点： 不需要额外空间（空闲块自己存下一个空闲块指针）❌ 缺点： 可靠性差（一个指针坏，后续都找不到）、随机访问慢典型： FAT文件系统（文件分配表）
③ 成组链接法（Grouped Linkage）
UNIX文件系统的经典算法：把空闲块分组 ，每组n个 ，组之间用链接串联。✅ 优点： 不需要额外空间、分配/回收效率高典型： UNIX文件系统（FFS）的空闲块管理
▲ 成组链接法（UNIX）原理：分组链接，第一组在内存专用栈中
分配一块
回收一块
↺ 重置
📝 408综合题考点（成组链接法）： 内存专用栈 中（加速分配）这一组的最后一个 ，则把该块内容（下一组的块号和块号列表）读入专用栈没满 ，直接压栈；如果满了 （这一组已经100个块），则把专用栈内容写入新回收的块，然后把这个块作为新组的第一个块压栈
🌐 VFS虚拟文件系统（Virtual File System）
屏蔽底层文件系统差异，让上层用同一套接口访问不同文件系统
📖 为什么需要VFS？ 多种文件系统 （如Linux支持ext4、XFS、Btrfs、NTFS、FAT32等）。如果让应用程序针对每种文件系统都写一套代码，那太麻烦了！VFS就是来解决这个问题——提供统一的抽象接口 。
▲ VFS层次结构：应用程序 → VFS → 具体文件系统 → 磁盘
VFS的四个主要抽象对象（408了解即可）
① super_block（超级块）： 存储文件系统的元信息 （块大小、总块数、空闲块数等）② inode（索引结点）： 存储文件元信息 （文件大小、权限、磁盘地址等）—— 前面详细讲过③ dentry（目录项）： 存储目录和文件的链接关系 （父目录→子目录/文件的映射）④ file（打开文件）： 存储进程打开文件的状态 （当前读写位置、访问模式等）
📝 408考点： 屏蔽底层文件系统差异 ，提供统一接口抽象层 ，具体文件系统实现VFS定义的接口 目录项缓存 ，加速路径名查找
📂 打开文件表（系统级 vs 用户级）
文件被打开后，操作系统如何管理？两级打开文件表结构
📖 为什么要打开文件表？ open() 打开一个文件时，操作系统需要记录这个文件的状态信息 （当前读写位置、访问模式等）。这些信息的组织结构就是打开文件表 。
▲ 两级打开文件表：系统打开文件表（整个系统一份）vs 用户打开文件表（每个进程一份）
系统打开文件表（System Open File Table）
范围： 整个系统一份 （所有进程共享）内容： inode指针 （指向文件的inode）文件被打开次数 （计数器，关闭时-1，到0才真正关闭）文件访问模式 （只读/只写/读写）当前文件偏移量 （但现代系统通常放在用户打开文件表里）典型： Linux的 struct file
用户打开文件表（Per-Process Open File Table）
范围： 每个进程一份 （进程私有）内容： 系统打开文件表的指针 （指向系统表中的对应项）当前文件偏移量 （进程自己的读写位置，父子进程可以不同）✅ 好处： 多个进程可以共享同一个文件，但各自的读写位置独立 典型： Linux的 task_struct.files（文件描述符表）
📝 408高频考点： 支持文件共享 （多个进程打开同一个文件，共享系统级表项；但各自的读写位置独立，存在用户级表项中）索引 （0=标准输入，1=标准输出，2=标准错误）继承父进程的用户打开文件表 （即共享同一个系统打开文件表项），所以父子进程共享同一个文件的读写位置 ！