虛擬檔案系統

在 Linux 檔案系統中，使用者空間、系統呼叫、虛擬機器器檔案系統、快取、檔案系統以及儲存之間存在著緊密的關係。 如下圖：

在作業系統中，檔案系統起到了重要的作用，它們負責管理作業系統中的檔案和目錄。然而，不同的檔案系統有著不同的實現方式和儲存位置。為了提供一個統一的介面給使用者，作業系統引入了虛擬檔案系統（Virtual File System，VFS）作為中間層。

VFS 定義了一組通用的資料結構和標準介面，使得程式設計師無需瞭解具體檔案系統的工作原理，只需要瞭解 VFS 提供的介面即可進行檔案操作，其實連提供的介面各種程式語言都替我們封裝好了，只需要呼叫一些方法就完事了。

Linux 支援多種檔案系統，根據儲存位置的不同，可以將檔案系統分為三類。

1. 磁碟的檔案系統，它將資料直接儲存在磁碟中，例如 Ext 2/3/4、XFS 等。
2. 記憶體的檔案系統，這類檔案系統的資料儲存在記憶體中，如 /proc 和 /sys 檔案系統，讀寫這些檔案實際上是讀寫核心中相關的資料。
3. 網路的檔案系統，用於存取其他計算機主機的資料，例如 NFS、SMB 等。

為了正常使用檔案系統，首先需要將其掛載到某個目錄上。例如，在 Linux 系統啟動時，會將檔案系統掛載到根目錄，從而使檔案系統可用。

檔案的物理結構

作業系統負責管理磁碟中的資料，並將其呈現為易讀的形式，使我們不需要關心資料的具體存放位置及其儲存方式。作業系統背後的機制將資料儲存在磁碟上，以便我們可以方便地存取和操作。

在作業系統的輔助下，我們看下檔案的物理結構是如何在磁碟中儲存的。

檔案塊

我們知道，物理磁碟上儲存的最小單位是磁區，通常為512位元組。這意味著即使一個資料不足512位元組，它仍然會佔用512位元組的磁碟空間。然而，由於磁區的大小較小，會導致讀寫效率降低。

為了方便管理和存取檔案，作業系統引入了邏輯塊的概念。幾乎所有的檔案系統都會將檔案分割成固定大小的塊來儲存，前面我們說過通常一個塊的大小為4KB。如果磁碟的磁區大小為512位元組，而檔案系統的塊大小為4KB，那麼檔案系統的儲存單元就是8個磁區。這也解釋了為什麼檔案的大小和佔用空間之間存在差異。檔案的大小指的是檔案本身的實際大小，但並不一定等於佔用的空間大小。因為不管檔案的大小是否達到4KB，只要有資料，都會分配給它一個塊進行儲存。

需要注意的是，在Windows的NTFS檔案系統中，如果寫入的資料很小，小於1KB，它將被儲存在檔案表中，而不是以4KB為單位的塊中。但一旦資料超過1KB，將會分配4KB的儲存空間。

記憶體管理也採用類似的邏輯塊的概念。檔案的邏輯地址也被分為一塊塊的檔案塊，邏輯地址由邏輯塊號和塊內地址組成。使用者通過邏輯地址來操作檔案，而作業系統負責完成邏輯地址與實體地址的對映，以實現對檔案的存取和操作。

檔案分配方式

檔案分配方式大致可以分為連續分配和非連續分配兩種。連續分配是指將檔案的資料塊連續地儲存在磁碟上的相鄰區域，類似於Java中的陣列。非連續分配則是將檔案的資料塊分散儲存在磁碟上的不同區域，類似於Java中的連結串列。

連續分配

這種分配方式可以提高存取速度，因為檔案的塊是連續儲存的，所以在存取檔案時不需要進行磁頭的來回移動，可以直接順序存取。這種順序存取的特性使得連續分配適用於存取模式較為順序的檔案，比如視訊檔或音樂檔案。

那麼作業系統如何完成邏輯塊與物理塊之間的對映呢？

在實際情況中，每個檔案都會被放置在一個目錄中，無論是最外層的根目錄還是使用者自己建立的目錄，都會有一個對應的目錄結構檔案，它記錄了當前目錄下的目錄項和檔案資訊。如圖所示：

具體來說，作業系統通過邏輯塊號和塊內地址的對映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）。對於使用者存取一個檔案的內容，作業系統會通過檔案的識別符號找到對應的目錄項，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援順序存取和隨機存取。

連續分配方式在讀寫檔案時效率較高，因為檔案的磁碟塊是相鄰的，減少了移動磁頭的時間。這也是為什麼一些中介軟體或資料庫在寫檔案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「檔案長度不易擴充套件」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檔案長度不易擴充套件。當一個檔案被刪除時，會留下一塊空缺，如果新檔案的大小小於該空缺的大小，可以將其放置在空缺中。但如果新檔案的大小大於所有空缺的總大小，即使磁碟上有足夠的空閒空間，也無法存放該檔案。在這種情況下，我們可以通過移動已有檔案來騰出空間以容納新檔案，但是磁碟上的檔案移動是非常耗時的，因此這種方式並不太實際。

另一個問題是檔案長度擴充套件不方便。例如，在上述圖示中，如果檔案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檔案來騰出足夠的空間，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，為了解決連續分配方式的問題，可以採用非連續空間存放方式，如鏈式儲存、索引儲存和組織表等方式。這些方式可以克服連續分配方式的空間碎片和檔案長度擴充套件不方便的問題。那這種非連續的分配方式我們下回講解！

總結

本文主要討論了作業系統中檔案系統的實現和分配方式。首先介紹了虛擬檔案系統（VFS）作為中間層，統一了不同檔案系統的介面。然後介紹了檔案的物理結構，包括檔案塊和邏輯塊之間的對映關係。接著詳細討論了連續分配方式的特點和優缺點，包括順序存取和隨機存取的效率，以及磁碟空間碎片和檔案長度擴充套件不方便的問題。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！