文件系统

需熟练掌握文件系统的结构以及外存空闲空间管理方法，常在选择题中考察，也会在大题中考察相关知识点。

如上图所示，磁盘从逻辑上分为如下部分：

引导区（Master Boot Sector，MBR）：引导区位于磁盘的起始位置，通常是磁盘的第一个扇区。它包含引导加载程序（boot loader），用于引导操作系统。引导加载程序负责启动计算机并加载操作系统内核。
分区表（Partition Table）：分区表通常存储在磁盘的第一个扇区之后，用于记录磁盘上的分区信息。分区表指示了磁盘上每个分区的起始位置、大小和文件系统类型。不同操作系统使用不同的分区表格式，如MBR（Master Boot Record）和GPT（GUID Partition Table）。
分区（Partition）：分区中存储有文件系统，文件系统中包含元数据和数据区这两个部分。
- 元数据：
  - 超级块（Superblock）：包含文件系统的关键信息，在计算机启动时，超级块会被载入内存。超级块中包含的典型信息包括分区的块的数量、块的大小、空闲空间的管理方式等。
  - 空闲块信息：管理磁盘中空闲块的存储数据，具体方法见下文空闲空间管理方法
  - inodes：管理文件的元数据
- 数据区：文件系统的数据区存储了实际的文件数据。这是存储文件内容的地方。文件系统会将文件数据分为一个或多个块或簇，并将这些块分布在磁盘上的不同位置。文件系统的数据区通常占据了磁盘上的大部分空间。

下图是一个文件系统在分区（Partition）上的存储示例，文件系统的元数据由 superblock、inode 位图区（inode bmap）、数据块位图区（data bmap）、inode 存储区（inode region）这四个部分构成。

与文件连续分配方案中的目录保存内容类似，这里用一个表格记录连续空闲块在存储空间中的位置。

使用链表数据结构，其中每个节点代表一个空闲数据块。链表的头节点存储了第一个空闲块的位置（磁盘块号），每个节点的下一个节点指向下一个空闲块。因此，整个链表由一系列相邻的空闲块组成。

位图是一个二进制位数组，其中的每个位对应于磁盘上的一个数据块。位图中的每个位可以表示两个状态：

成组链接法的细节比较复杂，这里仅掌握其思想即可（较小概率在选择题中考察）：

与文件混合索引分配方式思路类似，用一个磁盘块A来存储所有的空闲盘号，如果A满了，就用一个新的空闲磁盘B来作为头结点，并且将其中的一个盘块号标记为A的盘块号（作为一阶间址）。

虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）是一种操作系统内核设计模式或框架，它允许不同的文件系统在一个统一的接口下协同工作。VFS 提供了一个抽象层，允许应用程序和系统调用与文件系统交互，而不必关心底层文件系统的类型。

VFS 的主要目标是提供一个标准接口，使不同类型的文件系统（如本地文件系统、网络文件系统、CD-ROM文件系统等）能够以一致的方式与操作系统内核进行通信。这有助于增强操作系统的可扩展性和可移植性，同时使应用程序更容易编写，因为它们可以依赖统一的文件系统接口。

文件系统挂载是指将一个文件系统与操作系统的目录结构关联起来，以便可以访问文件和目录。在大多数操作系统中，文件系统挂载是一种将存储设备（如硬盘分区、CD-ROM、网络共享等）上的文件系统连接到操作系统的文件树中的过程。

文件系统挂载是文件系统管理中的一个重要概念，它使操作系统能够有效地访问和管理不同类型的存储设备上的数据。通过挂载，不同文件系统可以在一个统一的文件树中协同工作，使文件和目录对用户和应用程序来说似乎是在同一个系统中。