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文件系统是操作系统的重要组成部分，负责管理计算机存储设备上的所有文件和数据。我们可以把文件系统比作图书馆的管理系统。就像图书馆管理员需要对书籍进行分类、编目、存放和借阅管理一样，文件系统也要对计算机中的文件进行存储、组织、检索和保护。文件系统的四个基本功能包括：存储文件数据、组织文件结构、快速检索文件，以及保护文件安全。这些功能确保了用户能够高效、安全地使用计算机中的数据资源。
文件系统采用分层架构设计，从上到下分为四个层次。最上层是应用程序接口层，为用户程序提供系统调用接口，如打开、读写、关闭文件等操作。第二层是文件系统层，负责文件的逻辑组织和管理，包括目录结构、文件分配和空间管理。第三层是基本文件系统层，处理物理块的分配和管理，将逻辑文件映射到物理存储块。最底层是I/O控制层，直接与硬件设备交互，控制磁盘驱动器的读写操作。数据在各层之间按照固定的接口规范流动，这种分层设计使得文件系统具有良好的模块化特性和可维护性。
文件控制块FCB是文件系统中最重要的数据结构，每个文件都对应一个FCB。FCB存储了文件的完整信息，包括文件名、文件类型、文件大小等基本属性。时间信息包括文件的创建时间和最后修改时间，这对于文件管理和备份非常重要。访问权限字段控制不同用户对文件的读、写、执行权限。存储位置信息记录文件数据在磁盘上的具体位置，通过索引指针可以快速定位到文件的数据块。FCB通常存储在目录中，操作系统通过FCB来管理和操作文件，实现文件的创建、删除、读写等各种操作。
目录是文件系统中用于组织和管理文件的重要结构。根据组织方式的不同，目录结构可以分为几种类型。单级目录结构最简单，所有文件都存放在一个目录中，但当文件数量增多时会变得混乱。两级目录结构为每个用户分配独立的目录，实现了用户间的文件隔离，但层次结构有限。树形目录结构是目前最常用的组织方式，采用层次化的树状结构，支持任意深度的子目录嵌套。在树形目录中，我们可以使用绝对路径和相对路径来定位文件，绝对路径从根目录开始，相对路径从当前目录开始。这种结构提供了清晰的文件组织方式，便于文件的分类管理和快速检索。
文件分配方法决定了文件在磁盘上的存储方式，主要有三种方法。连续分配将文件的所有数据块连续存放在磁盘上，优点是顺序访问速度快，但容易产生外部碎片，难以动态扩展文件大小。链接分配将文件的数据块通过指针链接起来，可以分散存储在磁盘的任意位置，有效解决了外部碎片问题，但随机访问效率较低，因为需要沿着链表逐个访问。索引分配为每个文件建立一个索引块，索引块中存储指向文件各个数据块的指针，支持高效的随机访问，但需要额外的索引存储开销。在实际应用中，现代文件系统通常采用多级索引或混合分配策略，结合各种方法的优点来优化存储性能。