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06-18
虚拟文件系统在Linux文件系统中，用户空间、系统调用、虚拟机文件系统、缓存、文件系统和文件系统之间有着密切的关系。贮存 。
如下图： image 在操作系统中，文件系统扮演着重要的角色。他们负责管理操作系统中的文件和目录。
然而，不同的文件系统有不同的实现和存储位置。为了给用户提供统一的界面，操作系统引入了虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）作为中间层。
VFS定义了一套通用的数据结构和标准接口，使得程序员不需要了解具体文件系统的工作原理。他们只需要了解VFS提供的接口即可执行文件操作。
事实上，甚至各种编程语言提供的接口都可以为我们所用。封装完成后，只需要调用一些方法就可以了。
Linux 支持多种文件系统。文件系统根据存储位置的不同可以分为三类。
直接将数据存储在磁盘上的磁盘文件系统，如Ext 2/3/4、XFS等。 内存文件系统，此类文件系统的数据存储在内存中，如/proc和/sys文件系统。
读写这些文件实际上就是读写内核中的相关数据。网络的文件系统，用于访问其他计算机主机的数据，如NFS、SMB等。
为了正常使用文件系统，首先需要将其挂载到一个目录上。例如，Linux系统启动时，会将文件系统挂载到根目录，使文件系统可用。
文件的物理结构操作系统负责管理磁盘上的数据，并以易于读取的形式呈现出来，这样我们就不需要关心数据的具体存储位置和方式。操作系统背后的机制将数据存储在磁盘上，以便我们可以轻松访问和操作它。
我们借助操作系统来看看文件的物理结构是如何存储在磁盘上的。文件块我们知道物理磁盘上的最小存储单位是扇区，通常是字节。
这意味着即使一条数据小于字节，它仍然会占用字节的磁盘空间。但由于扇区尺寸较小，读写效率会降低。
为了方便对文件的管理和访问，操作系统引入了逻辑块的概念。几乎所有的文件系统都会将文件划分为固定大小的块来存储。
正如我们之前所说，块的大小通常为 4KB。如果磁盘的扇区大小以字节为单位，文件系统的块大小为4KB，则文件系统的存储单元为8个扇区。
这也解释了为什么文件的大小和它占用的空间之间存在差异。文件的大小是指文件本身的实际大小，但不一定等于所占用的空间量。
因为无论文件大小是否达到4KB，只要有数据，就会分配一个块来存储。需要注意的是，在Windows的NTFS文件系统中，如果写入的数据较小，小于1KB，则会存储在文件表中，而不是4KB的块中。
但一旦数据超过1KB，就会分配4KB的存储空间。内存管理也使用类似的逻辑块概念。
文件的逻辑地址也被划分为文件块。逻辑地址由逻辑块号和块内的地址组成。
用户通过逻辑地址操作文件，操作系统负责完成逻辑地址和物理地址的映射来访问和操作文件。图像文件分配方法 文件分配方法大致可以分为两种：连续分配和非连续分配。
连续分配是指将文件的数据块连续存储在磁盘上的相邻区域中，类似于Java中的数组。非连续分配就是将文件的数据块存储在磁盘上的不同区域，类似于Java中的链表。
连续分配是一种可以提高访问速度的分配方法。由于文件的块是连续存储的，因此访问文件时不需要来回移动磁头，可以直接顺序访问。
这种顺序访问功能使得连续分配适合具有更多顺序访问模式的文件，例如视频文件或音乐文件。那么操作系统是如何完成逻辑块和物理块之间的映射的呢？实际情况下，每个文件都会放在一个目录下。
无论是最外层的根目录，还是用户创建的目录，都会有相应的目录结构文件，记录了当前目录下的目录项和目录项。文件信息。
如图： image 具体来说，操作系统通过逻辑块号与块内地址的映射关系来实现逻辑块与物理块的对应关系，即（逻辑块号，块内地址）-> （物理块号，块内的地址）。用户访问文件内容时，操作系统会通过文件标识符找到对应的目录项，并通过逻辑块号计算出物理块号，即物理块号=起始块号+逻辑块数字。
由于物理块号可以直接从逻辑块号计算出来，因此连续分配方法支持顺序访问和随机访问。连续分配方式在读写文件时效率更高，因为文件的磁盘块是相邻的，减少了移动磁头的时间。
这就是为什么有些中间件或数据库在写入文件时采用顺序写入机制来提高处理速度。连续空间存储方式虽然读写效率较高，但其缺点也很明显，包括“磁盘空间碎片”、“文件长度不易扩展”等。
但连续分配方式也有明显的缺点，主要是磁盘空间碎片和文件长度不易扩展。当文件被删除时，会留下一个间隙，如果新文件的大小小于间隙的大小，则可以将新文件放置在间隙中。
但如果新文件的大小大于所有空余空间的总大小，则即使磁盘上有足够的可用空间，也无法存储该文件。在这种情况下，我们可以通过移动现有文件来为新文件腾出空间，但是在磁盘上移动文件非常耗时，因此这并不实用。
image 另一个问题是文件长度扩展不方便。例如，在上图中，如果文件 A 需要扩展，则需要更多的磁盘空间。
然而，释放足够空间的唯一方法是移动文件，这是非常低效的。那么有没有更好的方法来解决上述问题呢？确实，为了解决连续分配的问题，可以采用非连续的空间存储方式，比如链式存储、索引存储、组织表等。
这些方法可以克服连续分配带来的空间碎片和文件长度扩展不方便的问题。这种非连续分配方式我们下次再解释！总结本文主要讨论操作系统中文件系统的实现和分配。
首先引入虚拟文件系统（VFS）作为中间层，统一不同文件系统的接口。然后介绍文件的物理结构，包括文件块和逻辑块的映射关系。
然后详细讨论了连续分配方法的特点、优缺点，包括顺序访问和随机访问的效率，以及磁盘空间碎片和文件长度扩展不方便的问题。
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