OS第四章 文件管理

4.1 文件系统基础

• 一个文件有哪些属性？

  • 文件名：由创建文件的用户决定文件名，只要是为了方便用户找到文件，同一目录下不允许有重名文件。
  • 标识符：一个系统内的各文件标识符唯一，对用户来说毫无可读性，因此标识符只是OS用于区分各个文件的一种内部名称。
  • 类型：指明文件类型（如.txt、.c、.py），OS可以给每个类型的文件指定一个默认程序来打开。
  • 位置：文件的存放路径（让用户使用）、在外存中的地址（OS使用、用户不可见）
  • 大小：指明文件大小
  • 创建时间
  • 上次修改时间
  • 文件所有者信息
  • 保护信息：对文件进行保护的访问控制信息

• 文件内部的数据应该怎样组织起来？
  文件可以分为无结构文件和有结构文件两大类：
  
  无结构文件就是由一系列二进制或字符流组成
  有结构文件是由一系列记录组成，每个记录又是由一些数据项组成。

• 文件之间应该怎样组织起来？
  文件的组织形式是树状的形式。
  用户可以自己创建一层一层的目录（就是文件夹），各层目录中存放相应的文件。系统中的各个文件就是通过一层层的目录合理的组织起来的。
  目录其实也是一种特殊的有结构文件（由记录组成）。

• OS应提供哪些功能，才能方便用户、应用程序使用文件？

  • 创建文件：用到了create系统调用。
  • 读文件：将文件数据读入内存，才能让CPU处理。使用了read系统调用，将文件数据从外存读入内存，并显示在屏幕上。
  • 写文件：将更改过的文件数据从内存写回外存，使用write系统调用。
  • 删除文件：使用delete系统调用，将文件数据从外存中删除。
  • 打开文件：读/写文件前需要打开文件，open系统调用
  • 关闭文件：读/写文件后需要关闭文件，close系统调用
    可用几个基本操作完成更复杂的操作，比如“复制文件”：先创建一个新的空文件，再把源文件读入内存，再将内存的数据写入新文件中

• 文件数据应该怎么存放在外存（磁盘）上？
  与内存一样，外存也是由一个个存储单元组成的，每个存储单元可以存储一定量的数据（如1B）.每个存储单元对应一个物理地址。
  类似于内存分为一个个内存块，外存会分为一个个“块/磁盘块/物理块”。每个磁盘块的大小是相等的，每块一般包好2的整数幂个地址。文件的逻辑地址也可以分为（逻辑块号，块内地址），OS需要将逻辑地址转换为外存的物理地址（物理块号，块内地址）的形式。块内地址的位数取决于块的大小。
  OS以“块”为单位为文件分配存储空间，因此即使一个文件大小只有10B，但它依然要占用1KB的磁盘块。外存中的数据读入内存时同样以块为单位。

• 其他需要由OS实现的文件管理功能

  • 文件共享：使多个用户可以共享使用一个文件
  • 文件保护：如何保证不同的用户对文件有不同的操作权限。

文件的逻辑结构

所谓逻辑结构，就是指在用户看来，文件内部的数据应该是如何组织起来的。而“物理结构”指的是在OS看来，文件的数据是如何存放在外存中的。
按文件是否有结构分类，可以分为无结构文件、有结构文件两种。

无结构文件

文件内部数据就是一系列二进制或字符流组成。又称“流式文件”。如：Windows里的.txt文件。
这种文件没有结构，所以不讨论它的结构特性。

有结构文件

由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”。每条记录由若干个数据项组成。如数据库表文件。一般来说，每条记录有一个数据项可作为关键字（识别不同记录的ID）。
根据各条记录的长度（占用的存储空间）是否相等，又可分为定长记录和可变长记录两种。
根据有结构文件中的各条记录在逻辑上如何组织的，可以分为三类：

• 顺序文件：
  • 顺序文件：文件中的记录一个接一个的顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的。各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储。
    顺序存储：逻辑上相邻的记录物理上也是相邻的（类似于顺序表）。
    链式存储：逻辑上相邻的记录物理上不一定相邻（类似于链表）。
  • 根据记录间的顺序和关键字的关系可将顺序文件分为串结构和顺序结构：
    串结构：记录之间的顺序与关键字无关。（通常按照记录存入的时间决定记录的顺序）
    顺序结构：记录之间的顺序按关键字顺序排列。
  • 链式存储：物理是定长/可变长记录，都无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找。
  • 顺序存储：对于可变长记录来说，无法实现随机存取。每次只能从第一个记录开始依次往后查找。
    对于定长记录，可实现随机存取；若采用串结构，无法快速找到某关键字对应的记录；若采用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录（如折半查找）。
  • 注：一般来说，考题中所说的“顺序文件”指的是物理上顺序存储的顺序文件。
    顺序文件的缺点是增加/删除一个记录比较困难（如果是串结构则相对简单）
• 索引文件：
  • 建立一张索引表以加快文件检索速度。每条记录对应一个索引项。
  • 文件的记录在物理上可以离散存放，但是索引表的表项必须连续存放。
  • 索引表本身是定长记录的顺序文件。因此可以快速找到第i个记录对应的索引项。
    
    可将关键字作为索引号内容，若按关键字顺序排列，则还可以支持按照关键字折半查找。
  • 每当要增加/删除一个记录时，需要对索引表进行修改。由于索引文件有很快的检索速度，因此主要用于对信息处理的及时性要求比较高的场合。
    另外，可以用不同是数据项建立多个索引表。这样可以根据不同的数据项快速检索文件。
  • 缺点：每个记录对应一个索引表项，因此索引表可能会很大。存储空间利用率低。
• 索引顺序文件：
  • 索引顺序文件就是索引文件和顺序文件思想的结合。索引顺序文件中，同样会为文件建立一张索引表，但不同的是：并不是每个记录对应一个索引表项，而是一组记录对应一个索引表项。
  • 索引顺序文件的索引项也不需要按关键字顺序排列，这样可以极大地方便新表项的插入。
  • 这种策略可以简化索引表，但会出现查找时间变长的问题。
  • 多级索引顺序文件：
    为了进一步提高检索效率，可以为顺序文件建立多级索引表。
    例如，对于一个含有\(10^6\)个记录的文件，可先为该文件建立一张低级索引表，没100个记录为一组。如低级索引表中共有10000个表项，再把这10000个定长记录分组，每组100个，为其建立顶级索引表，故顶级索引表中共有100个表项。此时需要平均查找150次即可。
    

文件的物理结构

OS需要对磁盘块进行哪些管理？
- 对非空闲磁盘块的管理（存放了文件数据的磁盘块）
- 对空闲磁盘块的管理

文件分配方式

文件分配方式：探讨文件数据应该怎样存放在外存中？
类似于内存分页，磁盘中的存储单元也会被分为一个个“块/磁盘块/物理块”。很多OS中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同。
在外存管理中，文件的逻辑地址空间也被分为了一个一个的文件“块”。
于是文件的逻辑地址也可以表示为（逻辑块号，块内地址）的形式。
OS为文件分配存储空间都是以块为单位。
用户通过逻辑地址来操作自己的文件，OS要负责实现从逻辑地址到物理地址的映射。
注：簇是磁盘空间分配的基本单位。它是由一组连续的扇区（Sector）组成的；扇区是磁盘存储的最小物理单位。

连续分配

连续分配方式要求每个文件在磁盘上占有一组连续的块。
文件目录中记录存放的起始块号和长度（总共占用几个块）。
用户给出要访问的逻辑块号，OS找到该文件对应的目录项（FCB）
物理块号 = 起始块号 + 逻辑块号
连续分配支持顺序访问和直接访问。

读取某个磁盘块时，需要移动磁头。访问的两个磁盘块相隔越远，移动磁头所需时间就越长。
连续分配的文件在顺序读写时速度最快。
物理上连续分配的文件不方便拓展。
采用连续分配，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片。可以用“紧凑”来处理碎片，但需要耗费很大的时间代价。

链接分配

开用离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块。分为隐式链接和显示链接两种。

隐式链接

目录中记录了文件存放的起始块号和结束块号（也可以记录文件长度）。

除了文件的最后一个磁盘块之外，每个磁盘块中都会保存指向下一个盘块的指针，这些指针对用户透明。

用户给出要访问的逻辑块号i，OS找到该文件对应的目录项FCB。
从目录项中找到起始块号（即0号块），将0号逻辑块读入内存，此时知道1号逻辑块存放的物理块号，于是读入1号逻辑块，再找到2号逻辑块的存放位置……以此类推，最终找到i号块。

隐式链接只支持顺序访问，不支持直接访问，而且会占用每个块的一些内存来存放指针。
隐式链接方便文件拓展，所有空闲磁盘块都可以被利用，不会有碎片问题，外存利用率高。

显式链接

把用于链接文件各物理块的指针显式的存放在一张表中（文件分配表FAT）。
假设某个新创建的文件“aaa”依次存放在磁盘块2 -> 5 -> 0 -> 1
目录中只需要记录文件的起始块号2.
FAT如下：

一个磁盘仅设置一张FAT。开机时，将FAT读入内存，并常驻内存。FAT的各个表项长度相同，因此“物理块号”字段可以是隐含的。

用户查询方式：
用户给出要访问的逻辑块号i，OS找到该文件对应的目录项。
从目录项中找到起始块号，若i > 0，则查询内存中的文件分配表FAT，往后找到i号逻辑块对应的物理块号。逻辑块号换成物理块号的过程不需要读磁盘操作。

结论：链式分配（显式链接）支持顺序访问，也支持随机访问，由于块号转换的过程不需要访问磁盘，因此相比于隐式链接来说，访问速度快很多。
不会产生外部碎片、便于实现文件扩展。

注：考题中的链接分配默认是隐式链接。

索引分配

索引分配允许文件离散地分配在各个磁盘块中，系统会为每个文件建立一张索引表，索引表中记录了文件的各个逻辑块对应的物理块（索引表的功能类似于内存管理中的页表——建立逻辑页面到物理页面之间的映射关系）。索引表存放的磁盘块成为索引块。文件数据存放的磁盘块称为数据块。

假设某个新创建的文件“aaa”的数据依次存放在2 -> 5 -> 13 -> 9。 7号磁盘块作为“aaa”的索引块，索引块中保存了索引表的内容。
目录中需要记录文件的索引块是几号磁盘块。

索引分配支持随机访问，文件拓展也容易实现。不过每个文件都需要一个索引表，外存利用率降低。

若每个磁盘块1KB，一个索引表项4B，则一个磁盘块只能存放256个索引项。
如果一个文件的大小超过256块，那么一个磁盘块装不下文件的整张索引表，如何解决？

• 链接方案：如果索引表太大，一个索引块装不下，那么
  可以将多个索引块链接起来存放。
  每个索引块的最后设置一个指向下一索引块的指针。
  TCB中只记录第一个索引块的块号。
  若想访问文件的最后一个逻辑块，就必须找到最后一个索引块，而各个索引块之间是用指针链接起来的，因此必须先顺序地读入前面的所有索引块。（这个过程很低效）
• 多层索引：建立多层索引（原理类似多级页表）。使第一层索引块指向第二层的索引块。还可根据文件大小的要求再建立第三层、第四层索引块。
  假设磁盘块大小为1KB，一个索引表项占4B，则一个磁盘块只能存放256个索引项。若某文件采用两层索引，则该文件的最大长度可以到256 * 256 * 1KB = 64MB
  同样的例子如果要访问第1026号逻辑块，则1026 / 256 = 4，1026 % 256 = 2,因此可以先将一级索引表调入内存，查询4号表项，将其对应的二级索引表调入内存，在查询二级索引表的2号表项，即可知道1026号逻辑块对应的磁盘块号了。访问目标数据块，需要3次磁盘IO。
  采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块需要K+1次读磁盘操作。
• 混合索引：
  多种索引分配方式的结合。例如：一个文件的顶级索引表中，既包含直接地址索引（直接指向数据块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表）。
  对于小文件，只需要较少的读磁盘次数就可以访问目标数据块。（一般计算机中小文件更多）

文件存储空间管理

存储空间的划分与初始化

存储空间的划分：将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘），如Windows划分C、D、E盘。
存储空间的初始化：将文件卷划分成目录区和文件区。
目录区主要存放目录信息（FCB）、用于磁盘存储空间管理的信息。
文件区用于存放文件数据。
有的系统支持超大型文件，可支持由多个物理磁盘组成一个文件卷。

几种管理方法

• 空闲表法：
  空闲表记录第一个空闲磁盘的块号和空闲磁盘的块数。
  
  磁盘块分配方式：与内存管理中的动态分区分配类似，为一个文件分配连续的存储空间。同样可以采用首次适应、最佳适应、最坏使用等算法来决定要为文件分配哪个空间问题，分配后修改空闲盘块表。
  回收磁盘块：与内存管理中的动态分区分配类似，注意回收表项的合并问题。
• 空闲链表法：
  • 空闲盘块链：以盘块为单位组成一条空闲链。
    空闲盘块中，存储着下一个空闲盘块的指针。
    
    如何分配：
    OS保存链头、链尾指针。若某文件申请K个盘块，则从链头开始依次摘下K个盘块分配，并修改空闲链的链头指针。
    如何回收：
    回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针。
    适用于离散分配的物理结构。为文件分配多个盘块时可能需要重复多次
  • 空闲盘区链：以盘区为单位组成一条空闲链。
    连续的空闲盘块组成一个空闲盘区。
    空闲盘区中的第一个盘块内记录了盘区的长度、下一个盘区的指针。
    
    如何分配：
    OS保存链头、链尾指针。若某文件申请K个盘块，则可采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到一个大小符合要求的空闲盘区，分配给文件。若没有合适的连续空闲块，也可以将不同盘区的盘块同时分配给一个文件，注意分配后可能要修改相应的链指针、盘区大小等数据。
    如何回收：
    若回收区和某个空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中。若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到链尾。
    离散分配、连续分配都适用，为一个文件分配多个盘块时效率更高
• 位示图法：
  位示图：每个二进制位对应一个盘块。本例中0代表盘块空闲，1代表盘块已分配。位示图一般用连续的字来表示。如本例中一个字的字长是16位，字中的每一位对应一个盘块。因此可用（字号，位号）对应一个盘块号（有的题目也描述为（行号，列好））。
  
  考试时需要注意题目中的盘块号、字号、位号是从0还是1开始的。
  如何分配：
  若文件需要K个块，先顺序扫描位示图，找到K个相邻或不相邻的“0”；再根据字号、位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；最后把这些位置设成“1”
  如何回收：
  根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；将相应二进制位设为0.
• 成组链接法：
  空闲表法、空闲链表法不适用于大型文件系统，因为空闲表或空闲链表可能过大。UNIX系统中采用了成组链接发管理空闲块。
  文件卷的目录区中专门用一个磁盘块作为“超级块”，当系统启动时需要将超级块读入内存。并且要保证内存与外存中的“超级块”数据一致。
  超级块中记录了下一组空闲盘块的数量，以及这些空闲盘块的块号。
  每个空闲块号对应指向的空闲块也存放了下一组空闲块个数和块号。
  若已经没有下一组空闲块，则空闲块号处设置为-1.

文件的基本操作

创建文件

调用create系统调用。
create系统调用需要提供几个主要参数：

1. 所需的外存空间大小（如：一个盘块）
2. 文件存放路径
3. 文件名

OS在处理create系统调用时，主要做了两件事：

1. 在外存中找到文件所需的空间
2. 根据文件存放路径信息找到该目录对应的目录文件，在目录中创建该文件对应的目录项。目录项中包含了文件名、文件在外存中的存放位置等信息。

删除文件

系统调用delete
delete系统调用需要提供几个主要参数：

1. 文件存放路径
2. 文件名

OS在处理delete系统调用时，主要做了几件事：

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录文件中找到文件名对应的目录项。
2. 根据该目录项记录的文件在外存中的位置、文件大小等信息，回收文件占用的磁盘块。
3. 吧目录表中的目录项删除。

打开文件

在很多OS中，在对文件进程操作之前，要求用户先使用open系统调用“打开文件”。
open参数：

1. 文件存放路径
2. 文件名
3. 要对文件的操作类型（r，只读；rw，读写）

OS在处理open系统调用时，主要做了几件事：

1. 根据文件存放路径找到相应的目录文件，从目录中找到文件名对应的目录项，并检查用户是否有指定的操作权限。
2. 将目录项复制到内存中的“打开文件表”中。并将对应表目的编号返回给用户。之后用户是用打开文件表的编号来指明要操作的文件。
   用户进程的打开文件表中的读写指针用来指明当前读文件或写文件的位置，访问权限字段用于声明进程对文件的操作权限。
   
   系统的打开文件表（整个系统只有一张）中用打开计数器用来记录有几个进程打开了这个文件。增加这个字段可以方便实现某些文件管理功能。例如Windows系统中，我们尝试删除某个txt文件，如果此时文件以及被某个记事本进程打开，则系统会提示我们暂时无法删除该文件。
   

关闭文件

close系统调用
OS在处理close系统调用时，主要做了几件事：

1. 将进程的打开文件表相应表项删除。
2. 回收分配给该文件的内存空间资源。
3. 系统打开文件表的打开计数器count减一，若count = 0，则删除对应表项。

读文件

read系统调用
进程使用read系统调用完成读操作，需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明读入多少数据、指明读入的数据要存放在内存中的什么位置。
OS在处理read系统调用时，会从读指针指向的外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中。

写文件

write系统调用
进程使用write系统调用完成写操作，需要指明是哪个文件（在支持“打开文件”操作的系统中，只需要提供文件在打开文件表中的索引号即可），还需要指明写出多少数据、写回外存的数据放在内存的什么位置。
OS在处理write系统调用时，会从用户指定的内存区域中，将指定大小的数据写回写指针指向的外存。

文件共享

OS为用户提供文件共享功能，可以让多用户共享地使用同一个文件。
这意味着系统中只有“一份”文件数据。并且只要某个用户修改了该文件的数据，其他用户也可以看到文件数据的变化。

硬链接

基于索引结点的共享方式（硬链接）。
索引结点，是一种文件目录瘦身策略。由于检索文件时只需用到文件名，因此可以将除了文件名之外的其他信息放到索引结点中。这样目录项就只需要包含文件名、索引结点指针。
索引结点中设置一个链接技术变量count，用户表示链接到本索引结点上的用户目录项数。
若count = 2，说明此时有两个用户目录项链接到该索引结点上，或者说有两个用户在共享此文件。
若某个用户决定“删除”该文件，则只是要把用户目录中的对应目录项删除，且索引结点count值-1.
当count = 0时系统负责删除文件。

软链接

基于符号链的共享方式（软链接）
OS通过软链接共享文件，需要先建立一个link型的文件，这个文件中存放了共享文件的路径。将link型的文件链接到用户的目录中，这样用户访问这个文件的时候，OS先判断这个文件是link型，然后再根据这个link型文件中存的路径找到共享文件。
软链接类似于Windows里的快捷方式。
如果共享文件被删除，则软链接失效。

文件保护

保护文件数据的安全。

口令保护

为文件设置一个口令（如abc112233），用户请求访问该文件时必须提供口令。
口令一般存放在文件对应的FCB或索引结点中。用户访问文件前需要先输入“口令”，OS会将用户提供的口令与FCB中存储的口令进行对比，如果正确，则允许该用户访问文件。
优点：保存口气的空间开销不多，验证口令的时间开销小。
缺点：正确的口令存在系统内部，不太安全。

加密保护

使用某个“密码”对文件进行加密，在访问文件时需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密。
优点：保密性强，不需要在系统中存储密码。
缺点：编码/译码，要花费一定的时间

访问控制

在每个文件的FCB（或索引结点）中增加一个访问控制列表（Access-Control List，ACL），该表中记录了各个用户可以对该文件执行哪些操作。
访问类型：读、写、执行、添加、删除、列表清单（列出文件名和文件属性）

如果用户很多的OS，访问控制列表会很庞大，可以通过分组来精简。以组为单位，标记各组用户可以对文件执行哪些操作。
当用户想要访问文件时，系统会检查用户所在分组，并查看分组的权限。

4.2 文件目录

文件控制块

• 目录本身就是一种有结构文件，有一条条记录组成。每条记录对应一个在该目录下的文件。
• 我们打开一个目录A的过程就是从根目录表中下找到关键字“目录A”对应的目录项，然后从外存中将“目录A”的信息读入内存。之后，“目录A”的内容就得以呈现。
• 目录文件中的一条记录就是一个“文件控制块（FCB）”
  FCB的有序集合称为“文件目录”，一个FCB就是一个文件目录项。
  FCB中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）
• FCB中最基本，最重要的还是文件名、文件存放的物理地址。
  因为FCB的主要功能是实现了文件名和文件之间的映射。使用户（用户程序）可以实现“按名存取”
• OS需要对目录实现哪些操作？
  • 搜索：当用户要使用一个文件时，系统要根据文件名搜索目录，找到该文件对应的目录项。
  • 创建文件：创建一个新文件时，需要在其所对应的目录中增加一个目录项。
  • 删除文件：当创建一个文件时，需要在目录中删除相应的目录项。
  • 显示目录：用户可以请求显示目录的内容，如显示该目录中的所有文件及相应属性。
  • 修改目录：某些文件属性保存在目录中，因此这些属性变化时需要修改相应的目录项（如文件重命名）

目录结构

单级目录结构

早期OS并不支持多级目录，整个系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项。
单极目录实现了“按名存取”，但不允许文件重名。
在创建一个文件时，先要检查目录表中有没有重名文件，确定不重名之后才能建立文件，并将新文件对应的目录项插入表中。
显然，单级目录结构不适用于多用户OS。

两级目录结构

早期的多用户OS，采用两级目录结构。分为主文件目录（MFD，Master File Directory）和用户文件目录（UFD, User File Directory）
主文件目录记录用户名及相应用户文件目录的存放位置。
用户文件目录由该用户的文件FCB组成。

不用用户文件允许重名。
两级目录结构可以在目录上实现访问限制（检查此时登录的用户名是否匹配）。但是两级目录结构依然缺乏灵活性，用户不能对自己的文件进行分类。

多级目录结构

又称树形目录结构。
不同目录下文件可以重名。
用户（或用户进程）要访问某个文件时要用文件路径名标识文件，文件路径名是个字符串。各级目录之间用“/”隔开。从根目录出发的路径称为绝对路径。
系统根据绝对路径一层一层地找到下一级目录。刚开始从外存读入根目录的目录表；找到某目录的存放位置后，从外存读入对应的目录表；再找到下一级目录的存放位置，在从外存读入……
从当前目录出发的路径为“相对路径”。

优缺点：树形目录结构可以很方便的对文件进行分类，层次结构清晰，也能够更有效地进行文件的管理和保护。但不便于实现文件的共享。为此，提出了“无环图目录结构”。

无环图目录结构

在树形目录结构的基础上，增加一些指向同一结点的有向边，使整个目录成为一个有向无环图。可以更方便地实现多个用户间的文件共享。
可以用不同的文件名指向同一文件，甚至可以指向同一目录（共享同一目录下的所有内容）

需要为每个共享结点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该结点。用户提出删除结点请求时，只删除该用户的FCB、并使共享计数器-1，并不会直接删除共享结点。只有共享计数器为0时才会删除节点。
共享和复制不是一个意思。共享一个文件的两个用户A、B中的任何一个修改了文件，文件都会被改动。复制文件则不会。

索引结点（FCB的改进）

在查找各级目录的过程中，只需要用到“文件名”这个信息。因此可以建立索引表来提升效率。
索引表中只有文件名和对应的索引结点指针（指向索引结点）。
FCB表中除了文件名之外的文件描述信息都放到索引结点里。

创建索引结点的好处是是：
假设一个FCB是64B，磁盘块大小为1KB，则每个块中只能存放16个FCB。若一个文件目录中共有640个目录项，则共需要占用640/16 = 40个盘块。因此按照某文件名检索该目录，平均需要查询320个目录项，平均需要启动磁盘20次（每次磁盘I/0读入一块）。
创建索引结点启动磁盘次数减低，效率提高。
系统找到文件名对应目录项时，才需要将索引结点调入内存，索引结点中记录了文件的各种信息，包括文件在外存中的存放位置，根据“存放位置”即可找到文件。

4.3 文件系统的结构

文件系统的层次结构

文件系统的全局结构

文件系统在外存中的结构

• 物理格式化：即低级格式化——划分扇区，检测坏扇区，并用备用扇区替换坏扇区。
• 逻辑格式化：逻辑格式化后，磁盘分区，完成各分区的文件系统初始化。
  逻辑格式化后，主引导记录（包含磁盘引导程序和分区表）和C盘中的引导块、超级块、空闲空间管理、i结点区、根目录等部分已经有数据了，其他文件、目录部分还没有数据。

文件系统在内存中的结构

内存分为用户区和内核区。
内核区中有目录的缓存、系统打开文件表、进程（用户打开文件表）

虚拟文件系统

普通文件系统：

调用的文件系统不同，则提供参数可能不同，调用文件系统的过程可能会比较麻烦。
虚拟文件系统（VFS）：

1. 向上层用户进程提供了统一标准的系统调用接口，屏蔽底层具体文件系统的实现差异。
2. VFS要求下层的文件系统必须实现某些规定的函数功能，如：open/read/write。
   一个新的文件系统想要在某操作上被使用，就必须满足该操作系统VFS的要求。
   存在问题：不同的文件系统，表示文件数据结构各不相同。打开文件后，其在内存中的表示就不同。
3. 每打开一个文件，VFS就在主存中新建一个vnode，用统一的数据结构标识文件，无论该文件存储在哪个文件系统。
   注：vnode只存在于主存中，而inode既会被调入主存，也会在外存中储存。

文件系统的挂载

文件系统挂载，即文件系统安装/装载——如何将一个文件系统挂载到OS中？
文件系统挂载要做的事：

1. 在VSF中注册新挂载的文件系统。内存中的挂载表包含每个文件系统的相关信息，包括文件系统类型、容量大小。
2. 新挂载的文件系统，要向VFS提供一个函数地址列表。
3. 将新文件系统加到挂载点，也就是将新文件系统挂载在某个父目录下。