一文了解文件系統

文件系統在操作系統中扮演着關鍵的角色，它負責對存儲介質上的數據進行組織和管理，同時實現數據的訪問和存儲功能。用戶通過文件系統與系統進行交互，管理和訪問數據，這使得數據的存儲和檢索變得更加高效和便捷。

各種操作系統都配備着自己獨特的文件系統，如Windows的NTFS、Linux的ext4和MacOS的APFS。除此之外，也有一些通用的文件系統，如FAT32和exFAT，便於不同系統間的數據交換。文件系統負責將物理存儲設備分割和合並，爲操作系統提供一個統一的邏輯設備。它能將一個物理磁盤劃分成多個邏輯分區，或將多個邏輯分區合併爲一個卷。當跨越多個物理磁盤進行卷合併時，文件系統便實現了對單一物理設備容量的邏輯擴展。

分區和卷示意圖

文件系統的核心功能是管理和組織文件。每個文件都有獨特的路徑和名稱，這構成了文件在系統中的標識和位置。文件系統的頂層是邏輯分區或邏輯卷，文件按層級存儲在不同目錄中，形成了樹形結構。

樹形文件結構示意圖

文件系統中，文件的訪問權限和執行權限是文件之間的主要區別，而文件內容的不同取決於文件本身的定義。各種文件類型根據文件協議訪問其數據，通常在文件頭部聲明文件類型。文件名的格式有助於系統和用戶識別文件類型，但並不能改變文件的類型和內容。在早期的Windows系統中，採用了8.3文件名命名標準，其中"."後的3個字符幫助系統區分文件類型，例如，"exe"代表可執行文件。

文件系統中除了硬件上容量的限制，文件數量也有一個上限。當系統中有大量的小體積文件時，文件系統的文件索引數量就會用盡，即使物理磁盤上還有存儲空間也無法創建新的文件。出現這種情況時，我們就需要依賴一些應用級別的文件管理程序，對這些小文件進行統一的管理。在這些應用級別的文件管理程序中，會創建一些固定尺寸的“大”文件，例如64MB、128MB等。文件管理程序會將小文件存儲到這些大文件內部指定的位置，文件系統中的一個“大”文件會包含了多個小文件。這樣有效降低了文件系統中的文件數量。雖然文件管理程序訪問文件可能導致訪問性能降低和空間使用率下降，但是文件系統中存儲的都是大文件。存儲大文件有效的避免文件系統的磁片碎片化和文件數量過多導致的性能下降，是一種有效的平衡手段。

文件系統是數據的基礎，包括文檔、多媒體和數據庫文件。掌握其特性對應用數據存儲設計和開發至關重要。

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