一文了解文件系统

文件系统是操作系统中重要的组成部分。文件系统对存储介质上的数据进行组织及管理，并实现了数据的访问和存储功能，它是用户通过系统管理和访问数据的界面。

各种操作系统都有自己“专属”的文件系统，例如：Windos系统的NTFS、Linux系统的ext4和MacOS系统的APFS。但也存在一些通用的文件系统，以方便不同的系统之间进行数据交换。例如：FAT32和exFAT文件系统。文件系统将物理存储设备进行“分割”和“合并”，为操作系统提供一个统一的逻辑设备。文件系统可以将一个物理磁盘“分割”成多个逻辑分区，也可以将多个逻辑分区“合并”成一个卷。当跨多个物理磁盘完成“合并”卷操作时，文件系统就实现了对单一物理设备容量的逻辑扩容。

分区和卷示意图

对用户而言，文件系统的主要功能是管理和组织文件。在文件系统中存储的任何数据集合都是一个文件。文件在文件系统中必须有唯一的路径和名称，“路径+名称”就是文件在文件系统中的标识也是文件在系统中的位置。所有文件的最上级是某个逻辑分区或者逻辑卷，然后我们再逐级对文件进行分类存储到不同的目录，自然而然文件系统就形成了一个树形的文件结构。

树形文件结构示意图

从文件系统的角度看所有的文件只有访问权限和执行权限的区别，文件内容的差异都是由文件自身定义的。不同类型的文件根据自定义的文件协议访问文件内部的数据，通常在文件头部声明文件的类型。文件名称的格式也可以帮助系统和用户识别文件的类型，但文件名称并不能真正意义上改变文件的类型和内容。早期的Windows采用8.3格式的文件名命名标准，"."后面的3个字符帮助系统识别文件类型，最常见的exe便代表可执行文件。

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。

文件系统是所有数据的基础，不管是各种文档、多媒体文件还是数据库文件。理解文件系统的特性，有助于实现应用程序数据存储的设计和开发。

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