4.1 文件的基本概念

文件系统提供的服务：文件访问（按名存取）、文件创建/删除、目录管理、访问控制、文件共享与保护。

4.2 文件逻辑结构

文件的逻辑结构是用户可见的组织形式，与存储介质无关。

4.3 文件目录

目录是文件控制块 (FCB) 的集合，用于实现"按名存取"。FCB 包含文件名、类型、大小、物理位置、创建时间、权限等。

4.4 文件物理结构

文件的物理结构是指文件在磁盘上的存储组织方式。

混合索引（inode）

UNIX/Linux 的 inode 采用混合索引：直接索引块（小文件直接寻址）+ 一级间接索引 + 二级间接索引 + 三级间接索引。

交互式动画 · inode多级索引寻址

UNIX inode混合索引：12直接块+1一级间接+1二级间接+1三级间接。调节参数计算最大文件大小。

4.4B 虚拟文件系统 VFS [22新增]

VFS 四大对象

VFS 通过四个核心数据结构来描述和管理文件系统：

VFS 支持多种具体文件系统：ext4（Linux 默认）、xfs（高性能日志文件系统）、NTFS（Windows 文件系统）、FAT32（U 盘常用）、NFS（网络文件系统）等。VFS 为每种文件系统定义一组函数指针（如 read_inode、write_inode），具体文件系统实现这些函数即可接入 VFS。

4.4C 文件系统挂载 [22新增]

挂载过程

以 mount /dev/sdb1 /mnt/data 为例，挂载一个 ext4 分区到 /mnt/data 目录：

• ① 读取超级块：内核从 /dev/sdb1 中读取文件系统的超级块（superblock），检查文件系统类型（ext4）、确认文件系统完整性。
• ② 创建 VFS 结构：在内存中创建该文件系统的超级块对象 (super_block)、根目录的 inode 和 dentry，构建 VFS 的内部数据结构。
• ③ 关联到挂载点：将文件系统的根目录 dentry 关联到挂载点 /mnt/data 的 dentry。此后对 /mnt/data 的访问将透明地重定向到 /dev/sdb1 上的文件系统。
• ④ 挂载完成：该文件系统加入全局文件系统链表中，可被正常访问。

卸载 (umount)

卸载是挂载的逆过程：检查文件系统是否仍有打开的文件或正在使用的目录（如有则拒绝卸载）→ 将内存中的脏数据（dirty pages/buffers）同步写回磁盘 → 断开挂载点关联 → 释放 VFS 数据结构（超级块、inode、dentry）。

4.5 磁盘存储管理

磁盘是文件的存储介质。磁盘访问时间 = 寻道时间 + 旋转延迟 + 传输时间。其中寻道时间是主要开销，磁盘调度算法旨在减少平均寻道时间。

交互式动画 · 磁盘访问时间计算器

调节磁盘参数（RPM、寻道距离、数据量等），实时计算寻道时间、旋转延迟、传输时间及总时间。

磁盘调度算法

• FCFS 先来先服务：按请求到达顺序服务。公平，但寻道距离大。
• SSTF 最短寻道时间优先：选择离当前磁头最近的请求。性能好，但远处请求可能饥饿。
• SCAN 电梯调度：磁头沿一个方向移动到磁盘端点，途中服务所有请求，到达端点后反向。各方向请求均匀服务。
• C-SCAN 循环扫描：磁头单向移动到端点后直接返回另一端（不服务返回途中的请求），提供更均匀的等待时间。
• LOOK / C-LOOK：SCAN/C-SCAN 的改进，磁头只移动到最远请求位置而非磁盘物理端点。

磁盘调度算法伪代码

// FCFS 先来先服务
void FCFS(queue requests, int head){
  int totalSeek = 0;
  for(each r in requests){
    totalSeek += abs(r - head);
    head = r;
  }
}

// SSTF 最短寻道时间优先
void SSTF(queue requests, int head){
  int totalSeek = 0;
  while(requests 非空){
    int nearest = argmin(requests, r => abs(r-head));
    totalSeek += abs(nearest - head);
    requests.erase(nearest);
    head = nearest;
  }
}

// SCAN 电梯调度（假设向上）
void SCAN(queue requests, int head, int maxCyl){
  int totalSeek = 0;
  bool up = true;
  while(requests 非空){
    if(up){
      // 向上移动到最远请求或端点
      int next = min({r∈requests | r ≥ head});
      if(next 为空 || next > maxCyl){ next = maxCyl; up = false; }
      totalSeek += abs(next - head);
      head = next;
      removeAll(requests, r => r == head);
    } else {
      int next = max({r∈requests | r ≤ head});
      if(next 为空){ next = 0; up = true; }
      totalSeek += abs(next - head);
      head = next;
      removeAll(requests, r => r == head);
    }
  }
}

// C-SCAN 循环扫描（单向）
void CSCAN(queue requests, int head, int maxCyl){
  sort(requests);
  int totalSeek = 0;
  while(requests 非空){
    auto it = lower_bound(requests, head);
    if(it == requests.end()){       // 到头，单向折返
      totalSeek += (maxCyl - head) + maxCyl;
      head = 0;
    } else {
      totalSeek += abs(*it - head);
      head = *it;
      requests.erase(it);
    }
  }
}

4.6 文件存储空间管理

磁盘空闲空间管理方法：

• 空闲表法：连续空闲区记录为表项（起始块、长度）。
• 空闲链表法：空闲盘块用链表串联，或空闲区链表。
• 位示图法：每位对应一个盘块，1=已分配，0=空闲。常用，开销小。
• 成组链接法：UNIX 采用，将空闲盘块分组，组间用链接管理。

4.7 文件保护与安全

文件保护指防止文件被非法访问、篡改或破坏，主要实现方式有：

Unix rwx 权限位详解

Unix/Linux 文件权限用 9 位二进制（3 组 rwx）表示，常写成八进制。如 rwxr-xr-- = 754：

• 所有者 (owner)：rwx = 可读可写可执行
• 同组用户 (group)：r-x = 可读可执行，不可写
• 其他用户 (other)：r-- = 仅可读