一、文件存取方法
1. 順序存取（Sequential Access）
- 原理：按記錄寫入順序依次訪問
- 特點：
- 讀操作：讀取當前位置，指針自動前移
- 寫操作：追加到文件末尾
- 適用場景：磁帶設備、日志文件
2. 直接存取（Direct Access / Random Access）
- 原理：直接定位到任意位置讀寫
- 操作方式：
seek(offset)移動文件指針read(size)/write(data)在當前位置操作
- 磁盤支持：通過計算物理地址實現
3. 索引存取（Indexed Access）
- 原理：通過索引表查找記錄位置
- 工作流程：
- 搜索索引找到記錄鍵
- 獲取記錄物理地址
- 直接訪問該地址
二、存儲空間管理技術
1. 空閑空間管理方法
2. 位示圖法（Bitmap）
位示圖法是一種用二進制位管理磁盤空間的技術，其基本原理如下：
- 數據結構：創建一個位數組（bit array），數組長度等于磁盤總塊數
- 映射關系：
- 每個二進制位對應一個磁盤塊
0表示空閑塊1表示已分配塊
- 存儲位置：位示圖通常存儲在磁盤固定位置（如超級塊附近）
完整示例：16塊磁盤的位示圖管理
初始狀態（全空閑）：
磁盤塊號: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
位示圖值: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
操作1：分配塊2、塊5、塊7
更新后位示圖：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
操作2：分配3個連續塊
更新后位示圖：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0
操作3：釋放塊5和塊10
更新后位示圖：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0
關鍵技術細節
1. 地址轉換計算
-
塊號 → 位位置：
- 字節偏移 = 塊號 / 8
- 位偏移 = 塊號 % 8
-
示例：訪問塊13
字節偏移 = 13 / 8 = 1 (第二個字節) 位偏移 = 13 % 8 = 5 檢查第2字節的第5位（從0開始計數）
2. 空間占用計算
假設：
- 磁盤容量：1TB
- 塊大小：4KB
計算過程：
總塊數 = 1TB / 4KB = 2^30 / 2^12 = 2^18 = 262,144 塊
位示圖大小 = 262,144 bits / 8 = 32,768 bytes = 32KB
位示圖法優缺點分析
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| ? 空間效率高：僅需約 0.0039% 的額外空間（1/256） | ? 分配連續空間需線性掃描 |
| ? 狀態切換快：位操作效率極高 | ? 大磁盤中掃描效率低 |
| ? 實現簡單：數據結構簡潔 | ? 外部碎片問題仍然存在 |
| ? 隨機訪問快：直接計算位置 | ? 需要整個位圖載入內存 |
3. 空閑鏈表法
- 物理鏈表實現：
4. 空閑區表法（Extent-Based）
原理
空閑區表法（Free Space Management with Extent Lists）是一種通過記錄連續空閑區域來管理磁盤空間的技術，特別適合處理連續分配的場景。其核心思想是：
- 數據結構：維護一張表格（或鏈表），每個表項記錄：
- 空閑區的起始塊號
- 空閑區的長度（連續塊數）
- 分配策略：當需要空間時，在表中查找滿足需求的空閑區
- 合并機制：釋放空間時自動合并相鄰空閑區
完整示例：16塊磁盤的空閑區表管理
初始狀態（全空閑）：
操作1：分配3個連續塊
更新后空閑表：
空閑區1: 起始塊=3, 長度=13
操作2：再分配5個連續塊
更新后空閑表：
空閑區1: 起始塊=8, 長度=8
操作3：釋放塊0-2（3塊）
更新后空閑表：
空閑區1: 起始塊=0, 長度=3
空閑區2: 起始塊=8, 長度=8
操作4：釋放塊3-7（5塊）
最終空閑表：
分配策略對比
| 策略 | 操作方式 | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|
| 首次適應 | 從表頭掃描，選擇首個足夠大的區域 | 分配速度快 | 易產生外部碎片 |
| 最佳適應 | 掃描整個表，選擇最小的足夠區域 | 減少大空閑區割裂 | 易產生微小碎片 |
| 最差適應 | 掃描整個表，選擇最大的空閑區 | 減少微小碎片 | 破壞大空閑區 |
空間占用計算
假設：
- 磁盤容量：1TB
- 塊大小：4KB
- 平均空閑區大小：16塊
計算：
總塊數 = 1TB / 4KB = 256M 塊
平均空閑區數 = 256M / 16 = 16M
表項大小 = 8字節（4字節起始塊 + 4字節長度）
總空間 = 16M × 8B = 128MB
優缺點分析
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| ? 減少外部碎片 | ? 分配時間隨表增大而增加 |
| ? 高效管理大文件 | ? 小碎片無法利用 |
| ? 支持快速連續訪問 | ? 需要定期合并操作 |
| ? 實現相對簡單 | ? 大磁盤中表可能很大 |
5. UNIX成組鏈接法
成組鏈接法是UNIX文件系統采用的高效空閑塊管理方法，核心思想是：
- 分組管理：將空閑塊分成若干組
- 鏈式連接：每組最后一個塊存儲下一組信息
- 超級塊緩存：內存中緩存第一組空閑塊信息
完整示例：12塊磁盤的成組鏈接管理
初始狀態（3塊/組）：
內存超級塊內容：
| 空閑塊數 | 空閑塊列表 |
|---|---|
| 3 | [1, 2, 3] |
操作1：分配3個塊
操作2：再分配1個塊
操作3：釋放塊10,11,12
優缺點分析
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| ? 分配效率高（O(1)平均） | ? 實現復雜度高 |
| ? 釋放操作快速 | ? 小規模磁盤不劃算 |
| ? 減少磁盤I/O（超級塊緩存） | ? 需維護鏈式結構 |
| ? 天然抵抗碎片化 | ? 極端情況需遞歸加載 |
三、文件共享和保護
文件共享機制
軟鏈接與硬鏈接
硬鏈接（Hard Link）
底層原理
在 Linux 文件系統中：
- 每個文件對應一個唯一的 inode（索引節點）
- inode 存儲文件的元數據（權限、大小、時間戳等）
- 硬鏈接是指向同一個 inode 的多個目錄項
創建與操作（終端命令）
# 創建原始文件
$ echo "Original Content" > original.txt# 創建硬鏈接
$ ln original.txt hardlink.txt# 查看inode信息
$ ls -li
123456 -rw-r--r-- 2 user group 17 Jan 1 10:00 hardlink.txt
123456 -rw-r--r-- 2 user group 17 Jan 1 10:00 original.txt
# ↑ 相同的inode號（123456）和鏈接數（2）# 修改硬鏈接文件
$ echo "New content" >> hardlink.txt# 檢查原始文件
$ cat original.txt
Original Content
New content# 刪除原始文件
$ rm original.txt# 硬鏈接仍然有效
$ cat hardlink.txt
Original Content
New content
關鍵特性
| 特性 | 說明 |
|---|---|
| inode 相同 | 所有硬鏈接共享同一 inode |
| 文件大小 | 與原文件相同（不占用額外空間） |
| 跨文件系統 | ? 不支持 |
| 鏈接目錄 | ? 不允許（避免循環引用） |
| 刪除影響 | 減少鏈接計數，僅當計數為0時刪除數據 |
| 權限同步 | 所有硬鏈接權限始終相同（同一 inode） |
使用場景
- 文件多重備份（防止誤刪）
- 同一文件需要在多個位置訪問
- 節省空間的"副本"創建
軟鏈接（Symbolic Link / Symlink）
底層原理
- 軟鏈接是獨立的文件，有自己的 inode
- 內容存儲目標文件的路徑（字符串）
- 類似Windows的快捷方式
創建與操作（終端命令）
# 創建原始文件
$ echo "Source Content" > source.txt# 創建軟鏈接（絕對路徑）
$ ln -s /home/user/source.txt abs_link.txt# 創建軟鏈接（相對路徑）
$ ln -s source.txt rel_link.txt# 查看鏈接信息
$ ls -l
lrwxrwxrwx 1 user group 11 Jan 1 10:00 abs_link.txt -> /home/user/source.txt
lrwxrwxrwx 1 user group 10 Jan 1 10:00 rel_link.txt -> source.txt
-rw-r--r-- 1 user group 15 Jan 1 10:00 source.txt# 訪問軟鏈接
$ cat rel_link.txt
Source Content# 刪除原始文件
$ rm source.txt# 軟鏈接失效（斷鏈）
$ cat rel_link.txt
cat: rel_link.txt: No such file or directory# 檢查斷鏈狀態
$ ls -l rel_link.txt
lrwxrwxrwx 1 user group 10 Jan 1 10:00 rel_link.txt -> source.txt # 紅色顯示
關鍵特性
| 特性 | 說明 |
|---|---|
| inode | 獨立于目標文件 |
| 文件大小 | 等于路徑字符串長度 |
| 跨文件系統 | ? 支持 |
| 鏈接目錄 | ? 允許 |
| 刪除影響 | 目標文件刪除后失效 |
| 權限 | 總是 777（實際權限由目標決定） |
核心區別對比
| 特性 | 硬鏈接 | 軟鏈接 |
|---|---|---|
| 本質 | 同一文件的多個目錄項 | 存儲路徑的特殊文件 |
| inode | 與目標文件相同 | 獨立 inode |
| 跨文件系統 | ? 不支持 | ? 支持 |
| 鏈接目錄 | ? 禁止 | ? 允許 |
| 原始文件刪除 | 仍可訪問（鏈接數減1） | 鏈接失效（斷鏈） |
| 文件大小 | 與目標文件相同 | 路徑字符串長度 |
| 路徑依賴 | 無 | 相對路徑依賴位置 |
| 更新影響 | 所有鏈接同步更新 | 鏈接指向不變，目標可更換 |
| 權限 | 與目標相同 | 總是 lrwxrwxrwx |
| 查找命令 | find . -samefile 文件 | find -type l -ls |
Linux 系統視角
文件保護機制
1. 訪問控制矩陣
2. 訪問控制列表（ACL）
- 原理：為每個文件維護權限列表
- 結構：
3. UNIX權限模型（9-bit）
權限位分解
“文件類型”: 1
“所有者權限” : 3
“組權限” : 3
“其他用戶” : 3
權限示例：
第一位表示文件的類型，-代表文件，d代表目錄
-rwxr-xr--↑↑↑↑ ↑↑│||| |└─ 其他：讀│||| └── 組：執行│|│└── 組：讀││└──── 所有者：執行|└───── 所有者：寫└────── 所有者：讀
[“hardlink → inodeX”]
Directory2[目錄] --> EntryC[“symlink → inodeY”]
#### 文件保護機制##### 1. 訪問控制矩陣```mermaid
graph LRA[訪問控制矩陣] --> B[域:用戶/進程]A --> C[對象:文件]B --> D[權限:R/W/X]
2. 訪問控制列表（ACL）
- 原理：為每個文件維護權限列表
- 結構：
3. UNIX權限模型（9-bit）
權限位分解
“文件類型”: 1
“所有者權限” : 3
“組權限” : 3
“其他用戶” : 3
權限示例：
第一位表示文件的類型，-代表文件，d代表目錄
-rwxr-xr--↑↑↑↑ ↑↑│||| |└─ 其他：讀│||| └── 組：執行│|│└── 組：讀││└──── 所有者：執行|└───── 所有者：寫└────── 所有者：讀
