一文了解文件系统

文件系统在操作系统中扮演着关键的角色，它负责对存储介质上的数据进行组织和管理，同时实现数据的访问和存储功能。用户通过文件系统与系统进行交互，管理和访问数据，这使得数据的存储和检索变得更加高效和便捷。

各种操作系统都配备着自己独特的文件系统，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统，如FAT32和exFAT，便于不同系统间的数据交换。文件系统负责将物理存储设备分割和合并，为操作系统提供一个统一的逻辑设备。它能将一个物理磁盘划分成多个逻辑分区，或将多个逻辑分区合并为一个卷。当跨越多个物理磁盘进行卷合并时，文件系统便实现了对单一物理设备容量的逻辑扩展。

分区和卷示意图

文件系统的核心功能是管理和组织文件。每个文件都有独特的路径和名称，这构成了文件在系统中的标识和位置。文件系统的顶层是逻辑分区或逻辑卷，文件按层级存储在不同目录中，形成了树形结构。

树形文件结构示意图

文件系统中，文件的访问权限和执行权限是文件之间的主要区别，而文件内容的不同取决于文件本身的定义。各种文件类型根据文件协议访问其数据，通常在文件头部声明文件类型。文件名的格式有助于系统和用户识别文件类型，但并不能改变文件的类型和内容。在早期的Windows系统中，采用了8.3文件名命名标准，其中"."后的3个字符帮助系统区分文件类型，例如，"exe"代表可执行文件。

文件系统中除了硬件上容量的限制，文件数量也有一个上限。当系统中有大量的小体积文件时，文件系统的文件索引数量就会用尽，即使物理磁盘上还有存储空间也无法创建新的文件。出现这种情况时，我们就需要依赖一些应用级别的文件管理程序，对这些小文件进行统一的管理。在这些应用级别的文件管理程序中，会创建一些固定尺寸的“大”文件，例如64MB、128MB等。文件管理程序会将小文件存储到这些大文件内部指定的位置，文件系统中的一个“大”文件会包含了多个小文件。这样有效降低了文件系统中的文件数量。虽然文件管理程序访问文件可能导致访问性能降低和空间使用率下降，但是文件系统中存储的都是大文件。存储大文件有效的避免文件系统的磁片碎片化和文件数量过多导致的性能下降，是一种有效的平衡手段。

文件系统是数据的基础，包括文档、多媒体和数据库文件。掌握其特性对应用数据存储设计和开发至关重要。

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