文件系统实现
“磁盘 -> 低级格式化 -> 扇区（sector）”
“分区 -> 分区表”
“高级格式化 —— 文件系统格式”
“挂载 mount”
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| 文件名 → inode 索引 → inode 表 → 文件数据块 的访问过程 |
一、文件系统实现策略
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学过B、B+树的应该能理解.
二、软、硬链接
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硬链接：指向相同的 inode，这意味着两个文件（如 a.txt 和 b.txt）共享相同的数据块（即相同的 inode）。因此，它们的内容完全相同，删除任何一个文件并不会影响另一个文件的数据，因为它们指向的是相同的 inode。(类比于C++智能指针
shared_ptr, 多个硬链接, 就是多个智能指针, 但是他们指向的数据块是一样的; 只有引用计数为零, 才是真正的删除数据(当然, 只是无法访问, 之后数据块会复用, 然后被覆盖)) -
软链接：也叫符号链接，它不是直接指向 inode，而是保存目标文件的路径。例如，wyz 是一个软链接，指向
/opt/a.txt。删除软链接不会影响源文件，而源文件删除后，软链接会失效。
刚学的硬链接, 马上就可以用上了, wc: 【看番教程】片库上视频刮削不到？超详细高效规范化教程！
三、日志结构文件系统
技术的不断进步对当前的文件系统构成了显著的压力。在这种背景下，CPU 的性能持续提升，磁盘的容量不断增大且价格日益亲民，然而其寻道时间（固态硬盘因无机械结构而无需寻道时间）并未得到显著改善。与此同时，内存容量也呈现出指数级的增长态势。
这一系列因素共同作用，导致许多传统文件系统中出现了性能瓶颈。为了应对这一挑战，Berkeley 的研究团队设计了一种创新的文件系统——日志结构文件系统（Log-structured File System, 简称 LFS），以期缓解这些性能问题。
日志结构文件系统由 Rosenblum 和 Ousterhout 在90年代初首次提出，其设计初衷是为了解决以下几个关键问题:
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不断增长的系统内存：随着内存容量的不断增加，文件系统需要更有效地利用这些资源，以提高整体性能。
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顺序I/O性能优于随机I/O性能：现代磁盘的读写性能在顺序访问时明显优于随机访问。LFS 通过优化数据布局，使得更多的操作能够以顺序方式进行，从而提高了磁盘的利用率和性能。
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现有文件系统的低效率：传统的文件系统在数据管理和访问方面存在诸多不足，如碎片化、元数据管理复杂等问题。LFS 通过采用全新的数据组织方式，简化了文件系统的结构，提高了数据访问的效率。
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文件系统不支持RAID（虚拟化）：在当时，许多文件系统并不支持RAID技术，这限制了数据冗余和容错能力的提升。虽然LFS本身并不直接提供RAID功能，但其设计思想为后续的文件系统提供了灵感，推动了文件系统在数据冗余和容错方面的进步。
日志结构文件系统（LFS）设计的核心目标是减少硬盘的随机写入操作，从而提高文件系统的性能，尤其是在缓存机制（Page cache）的帮助下，大部分读取操作可以通过内存访问，而不再依赖磁盘的随机读。LFS的创新之处在于，尽管它在结构上保留了UNIX文件系统的传统 inode 设计，但其存储方式与传统文件系统有显著不同。
在LFS中，inode不再存储在固定位置，而是分散存储在整个日志中，这样增加了直接定位inode的复杂性。为了解决这一问题，LFS引入了inode map机制，它通过一个索引结构记录每个 inode 在日志中的位置，这使得系统能够高效地定位 inode，并且通过将inode map缓存在 内存 中，进一步提升了访问速度，减少了磁盘访问。
LFS的核心数据结构包括：inode、inode map、segment 和 segment usage table。inode 存储文件的元数据，inode map 用于快速查找 inode 位置，segment 是数据的基本存储单元，而 segment usage table 则跟踪每个segment的使用状态。
当文件被创建时，LFS将分配一个新的 inode，并将其存储在 inode map 中，同时为文件的数据分配一个segment。随着文件系统的使用，新的写入操作以顺序方式被追加到日志末尾，避免了传统文件系统的磁盘碎片问题。
为了处理磁盘空间有限的问题，LFS设计了清理（Clean）线程来回收不再使用的空间。清理线程扫描日志中的无效数据并将其移除，将仍然有效的数据压缩到新的segment中，从而释放空间供新的数据写入。这个清理过程使得LFS能够持续高效地运行，并提高了磁盘空间的利用率。
总体来说，LFS通过引入顺序写入、日志管理、清理线程等机制，显著减少了磁盘的随机写入操作，提升了文件系统的性能和空间管理效率。
四、日志文件系统
日志文件系统是一种通过将文件系统操作记录为事务日志的方式来管理数据的文件系统，其主要目标是提高数据的可靠性和一致性，尤其是在系统崩溃或意外断电的情况下。
核心思想
- 日志文件系统的核心思想是写前日志（Write-Ahead Logging），即在执行实际文件操作前，先将相关操作记录到一个日志区域中。只有当日志的写入被确认后，才会执行实际的数据写入操作。这样，即使发生系统崩溃，文件系统也可以通过回溯日志来恢复未完成的操作，确保数据的一致性。
工作流程：
- 记录操作：文件系统的所有写操作（如创建文件、修改文件内容等）首先记录到日志文件中，这一过程是顺序写入，效率较高。
- 提交事务：当一组操作记录完整后，日志会标记为已提交。
- 实际写入：随后，系统会将操作应用到文件系统的实际数据区域。
- 清理日志：当这些操作被成功写入到主文件系统后，相关日志记录会被标记为完成，从而可以被覆盖或清除。
优点：
- 高可靠性：由于日志的存在，即使系统在中途崩溃，也可以通过回放日志来恢复数据，确保一致性。
- 减少碎片化：写操作可以顺序记录到日志中，减少随机写造成的性能损失。
- 快速恢复：崩溃后只需处理未完成的事务日志，而无需扫描整个文件系统。
局限性：
- 额外开销：日志写入会占用磁盘空间，并引入一定的性能开销。
- 复杂性：日志管理需要额外的逻辑来追踪事务状态以及清理过期的日志。
- 性能瓶颈：尽管顺序写日志性能较高，但频繁的日志写入和主数据写入之间的同步可能会影响整体性能。
例如，用户修改一个文件时：
- 系统会将此次修改的内容、文件位置等信息记录到日志中。
- 日志写入完成后，才会对实际数据进行修改。
- 如果系统崩溃，重启后可以通过日志记录恢复此次修改，保证文件系统一致性。
对比日志结构文件系统（LFS）
- 日志文件系统关注的是数据的一致性和可靠性，记录的是操作本身，事务完成后实际数据会写入原始位置；而日志结构文件系统（LFS）则将所有写入操作以日志形式组织，日志本身就是数据存储的核心，重视顺序写入和性能优化。
日志文件系统通过引入事务日志，显著提高了文件系统的可靠性和一致性。它特别适用于高可靠性要求的场景，如数据库存储和关键系统文件的管理。尽管有一定的性能开销，但其崩溃后的快速恢复能力使其在现代操作系统中广泛应用。
五、虚拟文件系统
因为不同的文件系统, 使用的api是不同的, 而程序开发不可能关注如此细节的东西.
因此我们引入了一个代理中间层, 以提供一个统一的接口, 以访问不同的文件系统.
而这个文件系统就是虚拟文件系统(VFS):
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