1、虛擬文件系統的分層結構
上層：虛擬文件系統
底層：特定文件系統模塊，例如：網絡文件系統（nfs、smb）等其他類型文件系統
虛擬文件系統的目的：將接口暴露給用戶，屏蔽底層文件系統的差異性，它是對所有不同文件系統的抽象
虛擬文件系統的功能：
- 提供一致的文件和文件系統接口
- 管理所有文件和文件系統關聯的數據結構
- 高效查詢例程，遍歷文件系統
- 與特定文件系統模塊的交互
基本數據結構：
- 卷控制塊，總的，superblock，每個文件系統一個，塊，塊大小，空餘塊，計數/指針等
- 文件控制塊：VNODE/INODE， 單個文件一個，文件的詳細信息
- 目錄節點：dentry（dictionary entry），每個目錄項一個，將目錄項數據結構及屬性佈局編碼成樹型數據結構
數據持續存儲在二級存儲中，當需要時加載進內存。
二級存儲（secondary storage，auxiliary storage）是計算機主存儲器或內存之外的所有可訪問數據存儲器。即爲硬盤、磁帶、光盤等非易失性存儲。
- 卷控制塊：文件系統掛載時進入內存
- 文件控制塊：文件被訪問時進入內存
- 目錄節點： 在遍歷一個文件路徑時進入內存
2、數據塊緩存
如今緩存的概念已被擴充，不僅在CPU和主內存之間有Cache（L1 cache、L2 cache），而且在內存和硬盤之間也有Cache（磁盤緩存），乃至在硬盤與網絡之間也有某種意義上的Cache──稱爲Internet臨時文件夾或網絡內容緩存等。凡是位於速度相差較大的兩種硬件之間，用於協調兩者數據傳輸速度差異的結構，均可稱之爲Cache。
我們這裏說的數據塊緩存是磁盤緩存！
數據塊就是block塊，它是主存和外存傳輸數據的單位，文件存取的最小單位。
#緩存過程：
數據塊按需讀入內存，數據塊使用後被緩存
#兩種數據塊緩存方式，緩存的粒度不同
普通緩衝區緩存
頁緩存：統一緩存數據塊和內存頁
文件數據塊的頁緩存
在虛擬內存中文件數據塊被映射成頁
文件的讀/寫操作被轉換成對內存的訪問
可能導致缺頁、髒頁
相應算法，儘量減少對硬盤的讀寫次數，類似之前的算法
3、打開文件的數據結構
我們先看一段python代碼：
fd = open('db.txt',mode='rt',encoding='utf-8')
res = fd.read()
print(res)
fd.close()
上述代碼是一段用於文件操作的代碼。
打開文件的過程：fd是文件描述符（又叫文件句柄、文件對象），open一個文件，就會產生一個文件描述符，然後將該文件描述符存入打開該文件的進程的打開文件表。
#文件描述符
每個被打開的文件一個
文件狀態信息
目錄，當前文件指針。。。。
#打開文件表
一個進程一個（進程打開文件表又叫文件描述符表）
一個系統級的（系統打開文件表）
每個超級區塊也會保存一個列表，進程打開文件的基本信息 #這個不是很明白！我猜測前面的系統打開文件表應該是虛擬文件系統的打開文件表，不論nfs、smb、ext2所有的打開文件的情況裏面都有。每個superblock的文件打開表，例如nfs，應該就只是nfs文件系統的打開文件表。
文件描述符表、系統打開文件表、inode之間的關係如圖所示：
文件偏移量：即爲文件指針的偏移量，每一個文件被打開之後，內核都維護一個所謂的當前文件位置偏移量，讀和寫操作都會對這個偏移量產生影響。
如果不懂文件指針就看這個博客：https://blog.csdn.net/weixin_44571270/article/details/105891195
inode和文件描述符之間的關係：
在linux中，內核通過inode來找到每個文件，但一個文件可以被許多用戶同時打開或一個用戶同時打開多次。這就有一個問題，如何管理文件的當前位移量，因爲可能每個用戶打開文件後進行的操作都不一樣，這樣文件位移量也不同，當然還有其他的一些問題。所以linux又搞了一個文件描述符（file descriptor）這個東西，來分別爲每一個用戶服務。每個用戶每次打開一個文件，就產生一個文件描述符，多次打開就產生多個文件描述符，一一對應，不管是同一個用戶，還是多個用戶。該文件描述符就記錄了當前打開的文件的偏移量等數據。
#所以一個i節點可以有0個或多個文件描述符與之對應。可以看成文件描述符是對i節點的索引。
4、文件分配
爲應對不同大小的文件，如何爲一個文件分配數據塊呢？
#分配方式
連續分配
鏈式分配
索引分配
#評價指標：
時間高效
空間高效
（1）連續分配
I：文件頭
上圖中數據塊的分配都是連續的。因爲是連續的，如果再往文件寫內容，那麼我們看A文件內容還能加多少？所以它一般用於寫文件。
優點：文件讀取表現好，高效的順序和隨機訪問
劣勢：碎片，文件增長問題（預分配，按需分配），類似數組 (長度不可變)
注意這種模式：最好用於只讀文件
（2）鏈式分配
以數據塊鏈表方式存儲，文件頭包含了到第一塊和最後一塊的指針
訪問鏈表中間一個數，是需要對鏈表進行遍歷的，所以不可隨機訪問。
優點：創建，增大縮小容易，沒有碎片
缺點：不可隨機訪問，可靠性（破壞一個鏈然後整個文件都崩了）
（3）索引分配
IB:索引數據塊
每個磁盤塊（索引項），爲每個文件創建一個名爲索引數據塊的非數據數據塊（到文件數據塊的指針列表）
文件頭包含了索引數據塊
優點：創建，增大縮小都很容易，沒有碎片，支持直接訪問
缺點：當文件很小時，存儲索引的開銷，如何處理大文件？
釋意：文件大，佔用數據塊就多，那麼相對的索引數據就變大了，我們一個索引數據塊就不夠用了，所以我們需要多個索引數據塊
大文件採用分層的方式，類似內存管理的思想：
- 鏈式索引塊
- 多級索引塊，文件頭包含多個指針 #類似多級頁表
5、空間列表
空間列表的作用：跟蹤在存儲中的所有未分配的數據塊，爲了更好的分配空閒塊。
用位圖代表空閒數據塊列表
11111001111，如果i = 0 代表數據塊爲空閒
假設空閒空間在磁盤中均勻分佈，那麼找到空閒數據塊前需要掃描n/r
n —-磁盤上數據塊的總數
r —- 空閒塊的總數
爲了保護空間列表和實際空閒塊的位置的一致性：
位圖必須保存在磁盤上
不允許block在內存中的狀態爲1而在磁盤中爲0 ，這種不一致情況發生，因此需要在硬盤中完成把位圖中的相應空閒塊置爲1之後再真正爲文件分配數據塊，文件內容寫入數據塊
空間列表的實現方式：
