一、為何需要檔案系統？

　　磁碟具有大容量、低成本以及持久化的特點，即使發生斷電，磁碟上的資料也不會丟失。但是，對於一般使用者而言，使用磁碟是非常苦難的，因為他們不知道如何驅動一個磁碟，以及計算資料在磁碟上的存放位置。從上一篇《磁碟基礎》可以知道，瞭解磁碟的各項技術細節將使使用者不堪重負。

　　作業系統是一個魔術師，其提供給使用者的就是各種幻想：抽象。程序抽象的是CPU，虛擬記憶體抽象的是記憶體，對於磁碟來說，作業系統提供給使用者的幫助就是在磁碟外面包裹一層容易使用的抽象，使用者直接與這層抽象打交道，而無需瞭解磁碟的技術細節。在作業系統中，這層為磁碟提供的抽象就是：檔案系統。

二、檔案系統的基本概念

2.1 檔案系統是什麼

　　檔案系統是作業系統為磁碟和使用者之間提供的一個抽象，它是一個子虛烏有的，看不見摸不著的介面，如下圖所示：

　　（1）檔案系統使得使用者能夠很方便的使用磁碟：將使用者從資料存放的細節中解放出來，使用者不需要知道內容存放在什麼地方，也不需要知道如何存放，更不需要知道磁碟到底是如何工作的。

　　（2）簡單地說，檔案系統將其接觸的磁碟物理特性轉換為使用者看到的路徑名和檔名。使用者對磁碟進行訪問只需要給出檔名和路徑名即可，而無需知道磁柱、磁軌、扇面、資料塊等資訊。

　　（3）檔案系統的主要特性就是儲存大量的資訊，多個程序可以同時訪問一個檔案，程序結束也不會影響檔案的持續存在

2.2 檔案系統的目標

　　（1）地址獨立

　　一個檔案在產生的時候無需擔心其存放的磁碟地址，即檔案資料的產生與檔案將來存放的磁碟地址相互獨立。

　　（2）地址保護

地址保護需要對檔案的訪問進行一定的限制，即不是任何人都可以訪問任何檔案。

Difference：檔案系統的地址保護與記憶體管理下的地址保護不同，記憶體管理下地址保護指的是一個程序不能訪問另一個程序空間，而檔案系統下的地址保護不是一個檔案不能訪問另一個檔案空間，而是一個檔案的訪問時有限制的。

2.3 檔案的基本知識

　　（1）檔案命名

　　檔名可以便於訪問一個檔案，這個檔名既可以是英語名、中文名，也可以是影象名。當用戶給出一個檔名，作業系統就可以根據這個名字找到對應檔案的內容。具體來說，就是找到該檔案存放在磁碟上的所有資料塊

　　作業系統將檔名翻譯為其資料塊在磁碟上存放的地址，由於磁碟的定址單位是扇面，而這些磁碟地址實際上就是一個個的扇面號。

　　（2）副檔名

　　副檔名通常用來表明檔案的型別，如何文字檔案、二進位制檔案等等。例如：file.c 表明該檔案是一個C語言的原始檔。副檔名對檔案類別的指示僅僅是指示性的，並不具有強制性。

　　（3）內容定址

　　除了給出檔名外，還可以給出檔案的內容，供作業系統查詢使用。資料庫系統是這種實現方式的典型應用。

　　（4）檔案訪問

　　①順序訪問：從開頭開始訪問，按照先來後到的順序讀取資料。

　　②隨機訪問：可以按照任意順序讀取資料記錄，就像我們看DVD一樣可以隨機選擇想要觀看的段落。

　　（5）檔案屬性

　　每個檔案除了一個檔名外，還有許多資訊也是我們感興趣的，所以，檔案還擁有一些屬性。不同的作業系統，檔案的屬性種類和數量都不同，但每一種屬性都有自己的用途，下表列出了常見的檔案屬性：

　　（6）檔案操作

　　可以對檔案進行操作有：建立/刪除、開啟/關閉、讀寫新增、尋找訪問位置、讀取屬性/設定屬性、重新命名等等。

三、資料夾實現地址獨立

3.1 為何要有資料夾

　　我們可以對檔案進行讀寫操作，那麼給一個檔名，作業系統是如何知道從什麼地方讀取檔案內容的呢？換句話說，檔案在磁碟上的什麼位置，作業系統是如何知道的呢？這需要一個數據結構來記錄每個檔案在磁碟上的地址，這個資料結構就是資料夾。

　　資料夾也稱為目錄夾（Folder），它的角色就是跟蹤檔案，裡面存放的是從檔案到檔案所在磁碟的地址的對映，即“檔名→檔案所在磁碟上的地址”。資料夾對於檔案來說，就相當於從虛擬地址到實際地址的一種翻譯機制。

3.2 資料夾結構

　　由於資料夾裡面可以有子資料夾，因此就形成了一個層次結構，這個層次結構的頂端就是根資料夾（也稱為根目錄），如下圖所示：

　　根目錄是一個檔案系統的總起點，它在作業系統啟動的時候載入到記憶體。從根目錄開始，該檔案系統裡面的所有檔案都可以找出來。

四、檔案系統的呼叫

4.1 作業系統提供的“介面”

　　作業系統為使用者提供的檔案系統介面就是檔案系統呼叫，使用者可以在程式中通過這些系統呼叫來對檔案系統進行讀寫操作。這些系統呼叫包括：開啟檔案、關閉檔案、讀檔案內容、寫檔案內容等等。

4.2 檔案系統呼叫例項

　　下圖展示了一個C語言編寫的使用檔案系統呼叫實現檔案拷貝的簡單例項程式：

　　上述檔案拷貝程式實現的是開啟原始檔和目標檔案，然後迴圈往復地將原始檔內容讀取到一個緩衝區，然後將緩衝區的內容寫到輸出目標檔案裡。當拷貝結束後，關閉原始檔和目標檔案。

參考資料

鄒恆明，《作業系統之哲學原理》，機械工業出版社

作者：周旭龍

本文版權歸作者和部落格園共有，歡迎轉載，但未經作者同意必須保留此段宣告，且在文章頁面明顯位置給出原文連結。