操作系统文件管理 订阅+ 进入阅读模式

文件系统是操作系统管理文件的核心机制，FAT和inode是两种经典实现方式，分别被Windows和Linux采用，其设计理念差异显著：

一、FAT文件系统（File Allocation Table）

1. 核心结构：

- 文件分配表（FAT）：是整个系统的关键，以数组形式存储每个磁盘块的后继块号（链式结构），标记文件数据块的连接关系。FAT有FAT12（12位块号，支持小容量磁盘）、FAT16（16位）、FAT32（32位）等版本。

- 目录项：存储文件名、扩展名、文件大小、创建时间、起始块号等元数据，通过起始块号关联到FAT中的链表。

2. 工作原理：

访问文件时，从目录项获取起始块号，在FAT中依次查找后继块号，直至遇到结束标记（0xFFFF），形成完整的数据块链。例如：文件A起始块为5，FAT[5]=10，FAT[10]=15，FAT[15]=0xFFFF，则数据块序列为5→10→15。

3. 优缺点：

优点：

- 实现简单，兼容性好（支持多操作系统）

- 适合小文件存储（查找速度较快）

缺点：

- 链式结构导致文件碎片化（长期使用后读写性能下降）

- FAT表需整体加载，大容量磁盘下效率低（FAT32最大支持2TB）

- 目录项无权限控制，安全性差

应用：U盘、早期Windows系统（如Windows 98）。

二、inode文件系统（索引节点）

1. 核心结构：

- inode（索引节点）：每个文件对应唯一inode，存储元数据（文件大小、权限、时间戳、块指针等），但不包含文件名。inode有固定大小（如128字节），编号唯一。

- 数据块指针：inode中包含15个块指针（以ext2/ext3为例），前12个为直接指针（指向数据块），第13个为一级间接指针（指向存放块号的间接块），第14个为二级间接指针，第15个为三级间接指针，支持大文件存储。

- 目录项：仅存储文件名和对应的inode编号，形成文件名到inode的映射。

2. 工作原理：

访问文件时，通过目录项找到inode编号，读取inode中的块指针：小文件直接通过前12个直接指针访问；大文件则通过间接指针逐级查找。例如：1GB文件需使用三级间接指针，可寻址2^32字节以上。

3. 优缺点：

优点：

- 支持大文件（通过多级间接指针）

- 减少碎片（索引结构无需连续块）

- 权限控制精细（inode包含访问权限位）

- 文件名长度限制宽松（依赖目录项设计）

缺点：

- inode损坏会导致文件丢失（无冗余）

- 小文件浪费inode空间（固定大小）

应用：Linux系统（ext系列、xfs）， macOS（HFS+基于inode思想）。

三、对比与演进

FAT采用"目录项+链式块"的简单设计，适合移动存储；inode采用"索引节点+多级指针"，适合高性能、大容量的本地存储。现代文件系统（如NTFS、APFS）融合了两者优点：NTFS用主控文件表（MFT）替代FAT，兼具索引和链式特性；APFS采用Copy-on-Write机制，提升安全性和性能。理解这两种经典设计，有助于掌握文件系统的核心逻辑——如何高效管理"元数据-数据块"的映射关系。