本文主要討論了操作系統中文件系統的實現和分配方式。首先介紹了虛擬文件系統（VFS）作為中間層，統一了不同文件系統的介面。然後介紹了文件的物理結構，包括文件塊和邏輯塊之間的映射關係。接著詳細討論了連續分配方式的特點和優缺點，包括順序訪問和隨機訪問的效率，以及磁碟空間碎片和文件長度擴展不方便的問題。最後... ...
虛擬文件系統
在 Linux 文件系統中，用戶空間、系統調用、虛擬機文件系統、緩存、文件系統以及存儲之間存在著緊密的關係。 如下圖：
在操作系統中，文件系統起到了重要的作用，它們負責管理操作系統中的文件和目錄。然而，不同的文件系統有著不同的實現方式和存儲位置。為了提供一個統一的介面給用戶，操作系統引入了虛擬文件系統（Virtual File System，VFS）作為中間層。
VFS 定義了一組通用的數據結構和標準介面，使得程式員無需瞭解具體文件系統的工作原理，只需要瞭解 VFS 提供的介面即可進行文件操作，其實連提供的介面各種編程語言都替我們封裝好了，只需要調用一些方法就完事了。
Linux 支持多種文件系統，根據存儲位置的不同，可以將文件系統分為三類。
- 磁碟的文件系統，它將數據直接存儲在磁碟中，例如 Ext 2/3/4、XFS 等。
- 記憶體的文件系統，這類文件系統的數據存儲在記憶體中，如 /proc 和 /sys 文件系統，讀寫這些文件實際上是讀寫內核中相關的數據。
- 網路的文件系統，用於訪問其他電腦主機的數據，例如 NFS、SMB 等。
為了正常使用文件系統，首先需要將其掛載到某個目錄上。例如，在 Linux 系統啟動時，會將文件系統掛載到根目錄，從而使文件系統可用。
文件的物理結構
操作系統負責管理磁碟中的數據，並將其呈現為易讀的形式，使我們不需要關心數據的具體存放位置及其存儲方式。操作系統背後的機制將數據存儲在磁碟上，以便我們可以方便地訪問和操作。
在操作系統的輔助下，我們看下文件的物理結構是如何在磁碟中存儲的。
文件塊
我們知道，物理磁碟上存儲的最小單位是扇區，通常為512位元組。這意味著即使一個數據不足512位元組，它仍然會占用512位元組的磁碟空間。然而，由於扇區的大小較小，會導致讀寫效率降低。
為了方便管理和訪問文件，操作系統引入了邏輯塊的概念。幾乎所有的文件系統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。如果磁碟的扇區大小為512位元組，而文件系統的塊大小為4KB，那麼文件系統的存儲單元就是8個扇區。這也解釋了為什麼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，但並不一定等於占用的空間大小。因為不管文件的大小是否達到4KB，只要有數據，都會分配給它一個塊進行存儲。
需要註意的是，在Windows的NTFS文件系統中，如果寫入的數據很小，小於1KB，它將被存儲在文件表中，而不是以4KB為單位的塊中。但一旦數據超過1KB，將會分配4KB的存儲空間。
記憶體管理也採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地址組成。用戶通過邏輯地址來操作文件，而操作系統負責完成邏輯地址與物理地址的映射，以實現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分配和非連續分配兩種。連續分配是指將文件的數據塊連續地存儲在磁碟上的相鄰區域，類似於Java中的數組。非連續分配則是將文件的數據塊分散存儲在磁碟上的不同區域，類似於Java中的鏈表。
連續分配
這種分配方式可以提高訪問速度，因為文件的塊是連續存儲的，所以在訪問文件時不需要進行磁頭的來回移動，可以直接順序訪問。這種順序訪問的特性使得連續分配適用於訪問模式較為順序的文件，比如視頻文件或音樂文件。
那麼操作系統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建的目錄，都會有一個對應的目錄結構文件，它記錄了當前目錄下的目錄項和文件信息。如圖所示：
具體來說，操作系統通過邏輯塊號和塊內地址的映射關係來實現邏輯塊與物理塊之間的對應關係，即（邏輯塊號，塊內地址）-> （物理塊號，塊內地址）。對於用戶訪問一個文件的內容，操作系統會通過文件的標識符找到對應的目錄項，並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。由於可以根據邏輯塊號直接計算出物理塊號，所以連續分配方式支持順序訪問和隨機訪問。
連續分配方式在讀寫文件時效率較高，因為文件的磁碟塊是相鄰的，減少了移動磁頭的時間。這也是為什麼一些中間件或資料庫在寫文件時採用順序寫的機制，以提高處理速度。
連續空間存放的方式雖然讀寫效率高，但是缺點也很明顯，有「磁碟空間碎片」和「文件長度不易擴展」的缺陷。
然而，連續分配方式也存在明顯的缺點，主要是磁碟空間碎片和文件長度不易擴展。當一個文件被刪除時，會留下一塊空缺，如果新文件的大小小於該空缺的大小，可以將其放置在空缺中。但如果新文件的大小大於所有空缺的總大小，即使磁碟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，但是磁碟上的文件移動是非常耗時的，因此這種方式並不太實際。
另一個問題是文件長度擴展不方便。例如，在上述圖示中，如果文件A需要擴大，就需要更多的磁碟空間。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。
那麼有沒有更好的方式來解決上面的問題呢？確實，為瞭解決連續分配方式的問題，可以採用非連續空間存放方式，如鏈式存儲、索引存儲和組織表等方式。這些方式可以剋服連續分配方式的空間碎片和文件長度擴展不方便的問題。那這種非連續的分配方式我們下回講解！
總結
本文主要討論了操作系統中文件系統的實現和分配方式。首先介紹了虛擬文件系統（VFS）作為中間層，統一了不同文件系統的介面。然後介紹了文件的物理結構，包括文件塊和邏輯塊之間的映射關係。接著詳細討論了連續分配方式的特點和優缺點，包括順序訪問和隨機訪問的效率，以及磁碟空間碎片和文件長度擴展不方便的問題。為了知識的消化理解，本章留下的問題我們下一章再詳細講下！
