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文件系统是操作系统在磁盘等持久性存储设备上排序数据的方法。 它们提供了一个抽象的接口来访问这些设备上的数据，从而可以有效地读取或修改数据。 哪种文件系统方便取决于操作系统的目标应用程序。 例如，Windows使用FAT32或NTFS文件系统。 如果磁盘容量较大，FAT32就不太方便，因为FAT系统的设计只考虑了当时可用的较小磁盘。 同样，NTFS文件系统在微小磁盘上并不方便，因为它被设计为处理大量数据-使用1.44 MB软盘等设备时会有过多的开销。

有关特定文件系统的详细信息，请浏览文件系统的 [[:Category:Filesystems|这个列表]]。

== 文件系统理论 ==

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文件系统提供了持久存储的通用结构，从而可以将设备的低级结构 (例如，磁盘，磁带，闪存存储)进行抽象。 一般而言，文件系统的目标是允许将逻辑数据组组织成 “文件”，可以将其作为一个单元进行操作。 为此，文件系统必须提供实际辅助存储中文件位置的某种索引。 任何文件系统的基本操作是:

* 跟踪可用存储空间
* 跟踪哪些数据块属于哪些文件
* 创建新文件
* 将现有文件中的数据读取到内存中
* 更新文件中的数据
* 删除现有文件

(有洞察力的读者会注意到，最后四个操作- 创建，读取，更新和删除或CRUD（Create,Read,Update和Delete）-也适用于许多其他数据结构，并且是数据库和文件系统的基础。)

此外，还有其他功能与实用的文件系统一起使用:

* 为文件分配人类可读的名称，并在创建后重命名文件 
* 允许将文件划分为存储中的非连续块，并跟踪文件的各个部分，即使它们在整个介质中被 “碎片化”
* 提供某种形式的层次结构，允许将文件分为 “目录” 或 “文件夹”
* 缓冲读写以减少物理介质上的实际操作次数
* 缓存频繁访问的文件或部分文件，以加快访问速度
* 允许将文件标记为 “只读”，以防止意外损坏关键数据
* 提供一种防止未经授权访问用户文件的机制

在某些文件系统上还可以找到其它功能，例如自动加密或读/写活动的日志记录。

=== 索引方法 ===
有几种索引文件内容的方法，最常用的是 “i-nodes” 和 “文件分配表（File Allocation Tables）”。

==== inodes ====
Inode (information nodes - 信息节点) 是大多数Unix文件系统中至关重要的设计元素: 每个文件由数据块 (包含你的原始数据位的扇区)，索引块 (包含指向数据块的指针，以便你知道哪个扇区是序列中的第n个) 和一个inode块组成。

inode是索引块的根，如果文件足够小，也可以是唯一的索引块。 此外，由于Unix文件系统支持硬链接 (hard links，同一文件可能会在目录树中出现多次)，inode是存储元数据的自然场所，例如文件大小，所有者，创建/访问/修改时间，锁等。

==== FAT ====
文件分配表 ([[FAT]]) 是ms-dos及其后代的主要索引机制。 FAT上有几种变体，但一般设计是有一个表 (实际上是一对表，一个表作为第一个表的备份，以防损坏)，其中包含给定大小的块列表，映射到磁盘的整个容量。

== 文件系统的工作方式 ==

存储磁盘信息有几种常见的方法。 但是，与[[Memory Management|内存管理]]相比，管理磁盘介质有一些关键区别:
* 数据只能以固定大小的块写入。
* 磁盘上不同位置的访问时间不同。寻道通常是一项昂贵的操作。
* 数据吞吐量与RAM相比非常小
* 通常必须人为维护数据
因此，一些文件系统具有专门的结构、算法或其组合以提高速度评级。

=== 分配表 ===

分配表与位图方法相当。 然而，它可能包含其它信息，而不是仅仅拥有一个空闲或占用的字段。 优点是这种结构的使用简单，缺点是这种方法相对较慢，并且需要一组单独的数据来定义使用哪些部分以及按哪个顺序使用。
例如[[FAT]]，将链表和分配表组合在相同的结构中。 

=== 分离文件和系统区域 ===

一些文件系统将元数据和实际内容保存在磁盘上的单独区域中。 这使得特定类型的数据很容易找到，并允许一个特殊的 “自由” 区域。 缺点是你必须跟踪这些区域之间的单个或多个边界，因为不同情况用途可能会有所不同，并且磁盘必须适应 (大文件: 更多数据，更少元数据; 小文件: 更少数据，更多元数据)。
这种方法在[[SFS]]中得到显著应用。

=== 其它方法 ===
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== 网络文件系统（Network File Systems-NFS）==

所有这类文件系统都是从 “后端” 系统的集合中创建大型分布式存储系统的一种方法。 这意味着你无法 (例如) 在 “NFS” 中格式化磁盘，而只能挂载 “虚拟” NFS分区，该分区将反映另一台计算机上的内容。 请注意，基于最新的P2P，密码学和纠错技术 (例如Ocean Store项目或Archival Intermemory)，正在对新一代文件系统进行大量研究。)

有关各种网络文件系统的详细信息请[[:Category:Network Filesystems|查看此处]]

== 操作系统自制者的文件系统 ==
虽然你可以选择 <个人喜欢的XXX文件系统> 作为操作系统主文件系统，但你可能需要考虑实现所有选项。 所以通常你需要先拥有一个可以快速运行的文件系统，以便在实现 “真实文件系统” 之前可以专注于其余部分

=== 起步级别的文件系统 ===
这里只提供五个文件系统，它们相对既容易实现，又值得一试。 没有一般性建议，因为选择在很大程度上取决于样式和操作系统设计。 相反，你可以阅读比较并做出自己有根据的决定。

'''[[USTAR]]'''
* <code>+</code> 在这些初学者文件系统中，这是迄今为止最简单的实现
* <code>+</code> 使用512字节的扇区，就像软盘和磁盘一样
* <code>+</code> 非常简单，一个包含元数据的扇区，后跟数据扇区
* <code>+</code> 广泛使用，用于创建tar映像的实用程序可用于每个主流操作系统
* <code>+</code> 支持特殊文件（如设备和符号链接）
* <code>+</code> 支持Unix权限
* <code>-</code> 不支持碎片处理
* <code>-</code> 没有标准的分区类型，你必须自己选择一个

'''[[FAT]]'''
* <code>+</code> 几乎所有的os都可以读写
* <code>+</code> 软盘的 “标准”
* <code>+</code> 相对容易实现
* <code>-</code> 它涉及长文件名和兼容性的一部分是[http://en.swpat.org/wiki/Microsoft_FAT_patents Microsoft的专利]
* <code>-</code> 较大开销
* <code>-</code> 不支持大型 (>4 GB) 文件
* <code>-</code> 不支持Unix权限

'''[[Ext2]]'''
* <code>+</code> 支持大文件 (通过一个扩展)
* <code>+</code> 支持Unix权限
* <code>+</code> 可以放在软盘上
* <code>+</code> 可以从Linux读写
* <code>-</code> 不能从Windows本地读取和写入 (但[http://www.fs-driver.org/ drivers] 可用)
* <code>-</code> 非常大的开销
* <code>-</code> 在这些初学者文件系统中，这是最复杂的

'''[[BMFS]]'''
* <code>+</code> 支持大文件
* <code>+</code> 作为静态库提供的实现
* <code>+</code> 附带实用工具，用于在Linux和Windows上创建磁盘映像
* <code>+</code> 带有FUSE绑定，允许将其安装在Linux系统上
* <code>+</code> 包含源代码文档
* <code>-</code> 不支持碎片处理
* <code>-</code> 对源代码的控制较少

'''[[ISO 9660]]'''
CDs的定义标准。 如果你从CD启动，那么这就是要走的路。 如果暂时不需要，请不要将其设置为你的第一个文件系统。

=== 开始弄一个自己的 ===
周围有许多不同类型的文件系统，从众所周知的文件系统到更晦涩的文件系统。 关于文件系统最不幸的事情是，每个业余爱好者OS程序员都认为他们设计的文件系统是终极技术，而实际上它通常只是一个FAT的副本，仅这里和那里有一些变化，也许是因为它是最容易实现的。 这个世界不需要另一个像FAT一样的文件系统。 在你决定推出自己的之前，先调查所有的可能性。

如果尽管有此警告，你还是决定创建自己的文件系统，那么你应该通过为其实现 [[FUSE]] 驱动程序来开始。 这样做的优点是，你可以将文件系统映像安装为任何其它存储设备，并且可以使用标准工具列出其内容，创建新文件和目录等。 FUSE也可用于Linux，MacOSX和Windows。

==== 如果你真的决定自制的指导方针 ====
* 仔细考虑它将用于什么。
* 使用一个程序 (例如电子表格软件)画出布局。需要的基本区域划分是:
** Bootsector.  除非你使用UEFI引导，否则这是必须的。  即使使用UEFI引导，也建议将其包含在规范中，以与较旧的文件系统兼容。  本节至少应包含磁盘大小、文件表位置、多分区磁盘的隐藏扇区以及版本号。  建议为你想不到的功能留出足够的空间。  不要忘记为jmp指令和引导代码留出空间!
** File table.  不要认为这只是一个包含文件及其位置列表的简单表。  有一种想法是，系统将存储各个独立文件部分，而不是存储整个文件，并且文件表将列出每个文件中的部分。  如果磁盘上的许多文件相同或相似 (例如许可协议)，这将有助于节省空间。
** Data area.  文件将存储在这里。
* 考虑创建一个程序能用来读写文件系统中的磁盘映像。部分内容将可移植到fs驱动程序中。
* 强烈建议为你的文件系统创建 [[FUSE]] 驱动程序。
* 将fs实现到你的操作系统中。

=== 专家级文件系统 ===
一旦你有一个初学者的文件系统，你可能需要支持更高级的文件系统。 这里有一些: *[[NTFS]] (New Technologies File System -Windows) 新技术文件系统。 很难找到文档。 试试[http://www.opensource.apple.com/source/ntfs/ Apple NTFS(开源项目)]。

== 另见 ==
=== Wiki页面 ===
[[I use a Custom Filesystem - What Bootloader Solution is right for me%3F]]

[[Category:OS theory]]
[[Category:Filesystems]]