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文件系统层次结构

文件系统在内存中的结构

外存空闲空间管理

空闲表法

空闲链表法

位示图法

成组链接法

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文件系统层次结构

• 磁盘上的文件系统结构：
  • 主引导记录MBR：位于磁盘的第一个扇区，包含引导程序和分区表。计算机启动时，BIOS会读取MBR并执行其中的引导程序，以确定活动分区并加载其引导块。
  • 引导块：活动分区的第一个块，包含启动操作系统的程序。
  • 超级块：包含文件系统的全局信息，如块大小、inode数量、空闲块管理等。
  • i结点区：存放文件的inode（索引结点），每个inode包含文件的元数据，如文件大小、创建时间、最后修改时间等。
  • 根目录：文件系统的根目录，存放根目录下的文件和子目录信息。

文件系统在内存中的结构

• 安装表：记录了每个已安装文件系统的信息，如挂载点、文件系统类型等。
• 目录结构缓存：缓存最近访问的目录信息，以加快文件查找速度。
• 系统的打开文件表：记录了系统中所有打开文件的描述信息，如文件位置、访问权限等。
• 进程的打开文件表：每个进程都有自己的打开文件表，记录了该进程打开的文件信息。

外存空闲空间管理

• 逻辑卷和物理卷的关系：逻辑卷是逻辑上的存储空间，而物理卷是实际的物理存储设备。逻辑卷管理器（LVM）可以将多个物理卷组合成一个逻辑卷，提供更灵活的存储管理。    

空闲表法

空闲表法维护一个数据结构，即空闲磁盘块表，该表记录了磁盘上所有空闲块的信息。这个表通常包含以下内容：

• 磁盘块号：每个空闲块的唯一标识符。
• 空闲块的数量：连续空闲块的数量，便于分配较大的文件。

工作原理：

• 当文件系统需要分配新的磁盘块时，它会查找空闲表，找到足够大小的连续空闲块，并更新表以反映新的分配状态。
• 当文件被删除或磁盘块被释放时，这些块会被标记为空闲，并添加回空闲表中。

优点：

• 简单直观，易于实现。
• 对于连续分配磁盘块的情况，可以快速找到连续的空闲块。

缺点：

• 当磁盘块频繁分配和释放时，空闲表可能会产生大量的外部碎片。
• 空闲表本身可能变得很大，占用较多内存。

空闲链表法

空闲链表法通过将所有空闲块链接成一个链表来管理空闲空间。链表可以是基于单个磁盘块，也可以是基于空闲区（连续的多个磁盘块）。

工作原理：

• 空闲盘块链：每个空闲块包含一个指向下一个空闲块的指针。分配时，从链表头部取出一个空闲块；释放时，将空闲块添加到链表尾部。
• 空闲盘区链：每个空闲区包含一个指向下一个空闲区的指针。分配时，可能需要使用首次适应算法（first fit）、最佳适应算法（best fit）或最坏适应算法（worst fit）来找到合适的空闲区。

优点：

• 有效地解决了外部碎片问题。
• 管理相对简单，不需要维护一个大的空闲表。

缺点：

• 搜索空闲块可能需要遍历整个链表，效率较低。
• 如果频繁分配和释放，链表可能会变得很长。

位示图法

位示图法使用一个二进制位数组来表示每个磁盘块的使用情况。

工作原理：

• 每个磁盘块对应位示图中的一个位，0表示空闲，1表示已使用。
• 当需要分配或释放磁盘块时，操作系统会更新位示图。

优点：

• 占用空间小，可以快速检查磁盘块的状态。
• 分配和释放操作简单快捷。

缺点：

• 对于大型磁盘，位示图可能变得很大。
• 在多线程环境中，位示图的更新需要同步机制。

成组链接法

成组链接法是UNIX文件系统使用的一种空闲块管理方法，它结合了空闲表和空闲链表法的优点。

工作原理：

• 将磁盘块分成多个组，每组包含一定数量的空闲块。
• 每组的第一个空闲块（称为超级块）包含一个指向下一组空闲块的指针和该组中空闲块的数量。
• 当系统启动时，第一组的超级块被读入内存，从而形成一个链表。

优点：

• 减少了内存的使用，因为不需要将所有空闲块的信息都加载到内存中。
• 有效地管理了大量的空闲块，减少了外部碎片。

缺点：

• 如果频繁进行分配和释放操作，可能会造成链表遍历的性能问题。
• 需要额外的复杂性来维护超级块和空闲块之间的链接。