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電腦端+手機端+微信端=數(shù)據(jù)同步管理
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有的應(yīng)用程序都需要存儲和檢索信息。進(jìn)程運行時，它能夠在自己的存儲空間內(nèi)存儲一定量的信息。然而，存儲容量受虛擬地址空間大小的限制。對于一些應(yīng)用程序來說，存儲空間的大小是充足的，但是對于其他一些應(yīng)用程序，比如航空訂票系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、企業(yè)記賬系統(tǒng)來說，這些容量又顯得太小了。
第二個問題是，當(dāng)進(jìn)程終止時信息會丟失。對于一些應(yīng)用程序（例如數(shù)據(jù)庫），信息會長久保留。在這些進(jìn)程終止時，相關(guān)的信息應(yīng)該保留下來，是不能丟失的。甚至這些應(yīng)用程序崩潰后，信息也應(yīng)該保留下來。
第三個問題是，通常需要很多進(jìn)程在同一時刻訪問這些信息。解決這種問題的方式是把這些信息單獨保留在各自的進(jìn)程中。
因此，對于長久存儲的信息我們有三個基本需求：
磁盤(Magnetic disk) 一直是用來長久保存信息的設(shè)備。近些年來，固態(tài)硬盤逐漸流行起來。
固態(tài)硬盤不僅沒有易損壞的移動部件，而且能夠提供快速的隨機訪問。相比而言，雖然磁帶和光盤也被廣泛使用，但是它們的性能相對較差，通常應(yīng)用于備份。我們會在后面探討磁盤，現(xiàn)在姑且把磁盤當(dāng)作一種大小固定塊的線性序列好了，并且支持如下操作
事實上磁盤支持更多的操作，但是只要有了讀寫操作，原則上就能夠解決長期存儲的問題。
然而，磁盤還有一些不便于實現(xiàn)的操作，特別是在有很多程序或者多用戶使用的大型系統(tǒng)上（如服務(wù)器）。在這種情況下，很容易產(chǎn)生一些問題，例如
我們可以針對這些問題提出一個新的抽象 - 文件。進(jìn)程和線程的抽象、地址空間和文件都是操作系統(tǒng)的重要概念。如果你能真正深入了解這三個概念，那么你就走上了成為操作系統(tǒng)專家的道路。
文件(Files)是由進(jìn)程創(chuàng)建的邏輯信息單元。一個磁盤會包含幾千甚至幾百萬個文件，每個文件是獨立于其他文件的。事實上，如果你能把每個文件都看作一個獨立的地址空間，那么你就可以真正理解文件的概念了。
進(jìn)程能夠讀取已經(jīng)存在的文件，并在需要時重新創(chuàng)建他們。存儲在文件中的信息必須是持久的，這也就是說，不會因為進(jìn)程的創(chuàng)建和終止而受影響。一個文件只能在當(dāng)用戶明確刪除的時候才能消失。盡管讀取和寫入都是最基本的操作，但還有許多其他操作，我們將在下面介紹其中的一些。
文件由操作系統(tǒng)進(jìn)行管理，有關(guān)文件的構(gòu)造、命名、訪問、使用、保護(hù)、實現(xiàn)和管理方式都是操作系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容。從總體上看，操作系統(tǒng)中處理文件的部分稱為 文件系統(tǒng)(file system)，這就是我們所討論的。
從用戶角度來說，用戶通常會關(guān)心文件是由什么組成的，如何給文件進(jìn)行命名，如何保護(hù)文件，以及可以對文件進(jìn)行哪些操作等等。盡管是用鏈表還是用位圖記錄內(nèi)存空閑區(qū)并不是用戶所關(guān)心的主題，而這些對系統(tǒng)設(shè)計人員來說至關(guān)重要。下面我們就來探討一下這些主題
文件是一種抽象機制，它提供了一種方式用來存儲信息以及在后面進(jìn)行讀取。可能任何一種機制最重要的特性就是管理對象的命名方式。在創(chuàng)建一個文件后，它會給文件一個命名。當(dāng)進(jìn)程終止時，文件會繼續(xù)存在，并且其他進(jìn)程可以使用名稱訪問該文件。
文件命名規(guī)則對于不同的操作系統(tǒng)來說是不一樣的，但是所有現(xiàn)代操作系統(tǒng)都允許使用 1 - 8 個字母的字符串作為合法文件名。
某些文件區(qū)分大小寫字母，而大多數(shù)則不區(qū)分。UNIX 屬于第一類；歷史悠久的 MS-DOS 屬于第二類（順便說一句，盡管 MS-DOS 歷史悠久，但 MS-DOS 仍在嵌入式系統(tǒng)中非常廣泛地使用，因此它絕不是過時的）；因此，UNIX 系統(tǒng)會有三種不同的命名文件：maria、Maria、MARIA 。在 MS-DOS ，所有這些命名都屬于相同的文件。
這里可能需要在文件系統(tǒng)上預(yù)留一個位置。Windows 95 和 Windows 98 都使用了 MS-DOS 文件系統(tǒng)，叫做 FAT-16，因此繼承了它的一些特征，例如有關(guān)文件名的構(gòu)造方法。Windows 98 引入了對 FAT-16 的一些擴(kuò)展，從而導(dǎo)致了 FAT-32 的生成，但是這兩者很相似。另外，Windows NT，Windows 2000，Windows XP，Windows Vista，Windows 7 和 Windows 8 都支持 FAT 文件系統(tǒng)，這種文件系統(tǒng)有些過時。然而，這些較新的操作系統(tǒng)還具有更高級的本機文件系統(tǒng)(NTFS)，有不同的特性，那就是基于 Unicode 編碼的文件名。事實上，Windows 8 還配備了另一種文件系統(tǒng)，簡稱 ReFS(Resilient File System)，但這個文件系統(tǒng)一般應(yīng)用于 Windows 8 的服務(wù)器版本。下面除非我們特殊聲明，否則我們在提到 MS-DOS 和 FAT 文件系統(tǒng)的時候，所指的就是 Windows 的 FAT-16 和 FAT-32。這里要說一下，有一種類似 FAT 的新型文件系統(tǒng)，叫做 exFAT。它是微軟公司對閃存和大文件系統(tǒng)開發(fā)的一種優(yōu)化的 FAT 32 擴(kuò)展版本。ExFAT 是現(xiàn)在微軟唯一能夠滿足 OS X讀寫操作的文件系統(tǒng)。
許多操作系統(tǒng)支持兩部分的文件名，它們之間用 . 分隔開，比如文件名 prog.c。原點后面的文件稱為 文件擴(kuò)展名(file extension) ，文件擴(kuò)展名通常表示文件的一些信息。例如在 MS-DOS 中，文件名是 1 - 8 個字符，加上 1 - 3 個字符的可選擴(kuò)展名組成。在 UNIX 中，如果有擴(kuò)展名，那么擴(kuò)展名的長度將由用戶來決定，一個文件甚至可以包括兩個或更多的擴(kuò)展名，例如 homepage.html.zip，html 表示一個 web 網(wǎng)頁而 .zip 表示文件homepage.html 已經(jīng)采用 zip 程序壓縮完成。一些常用的文件擴(kuò)展名以及含義如下圖所示
在 UNIX 系統(tǒng)中，文件擴(kuò)展名只是一種約定，操作系統(tǒng)并不強制采用。
名為 file.txt 的文件是文本文件，這個文件名更多的是提醒所有者，而不是給計算機傳遞信息。但是另一方面，C 編譯器可能要求它編譯的文件以.c 結(jié)尾，否則它會拒絕編譯。然而，操作系統(tǒng)并不關(guān)心這一點。
對于可以處理多種類型的程序，約定就顯得及其有用。例如 C 編譯器可以編譯、鏈接多種文件，包括 C 文件和匯編語言文件。這時擴(kuò)展名就很有必要，編譯器利用它們區(qū)分哪些是 C 文件，哪些是匯編文件，哪些是其他文件。因此，擴(kuò)展名對于編譯器判斷哪些是 C 文件，哪些是匯編文件以及哪些是其他文件變得至關(guān)重要。
與 UNIX 相反，Windows 就會關(guān)注擴(kuò)展名并對擴(kuò)展名賦予了新的含義。用戶(或進(jìn)程) 可以在操作系統(tǒng)中注冊擴(kuò)展名，并且規(guī)定哪個程序能夠擁有擴(kuò)展名。當(dāng)用戶雙擊某個文件名時，擁有該文件名的程序就啟動并運行文件。例如，雙擊 file.docx 啟動了 Word 程序，并以 file.docx 作為初始文件。
文件的構(gòu)造有多種方式。下圖列出了常用的三種構(gòu)造方式
上圖中的 a 是一種無結(jié)構(gòu)的字節(jié)序列，操作系統(tǒng)不關(guān)心序列的內(nèi)容是什么，操作系統(tǒng)能看到的就是字節(jié)(bytes)。其文件內(nèi)容的任何含義只在用戶程序中進(jìn)行解釋。UNIX 和 Windows 都采用這種辦法。
把文件看成字節(jié)序列提供了最大的靈活性。用戶程序可以向文件中寫任何內(nèi)容，并且可以通過任何方便的形式命名。操作系統(tǒng)不會為為用戶寫入內(nèi)容提供幫助，當(dāng)然也不會干擾阻塞你。對于想做特殊操作的用戶來說，后者是十分重要的。所有的 UNIX 版本（包括 Linux 和 OS X）和 Windows 都使用這種文件模型。
圖 b 表示在文件結(jié)構(gòu)上的第一部改進(jìn)。在這個模型中，文件是具有固定長度記錄的序列，每個記錄都有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 把文件作為記錄序列的核心思想是：讀操作返回一個記錄，而寫操作重寫或者追加一個記錄。第三種文件結(jié)構(gòu)如上圖 c 所示。在這種組織結(jié)構(gòu)中，文件由一顆記錄樹構(gòu)成，記錄樹的長度不一定相同，每個記錄樹都在記錄中的固定位置包含一個key 字段。這棵樹按 key 進(jìn)行排序，從而可以對特定的 key 進(jìn)行快速查找。
在記錄樹的結(jié)構(gòu)中，可以取出下一個記錄，但是最關(guān)鍵的還是根據(jù) key 搜索指定的記錄。如上圖 c 所示，用戶可以讀出指定的 pony記錄，而不必關(guān)心記錄在文件中的確切位置。用戶也可以在文件中添加新的記錄。但是用戶不能決定添加到何處位置，添加到何處位置是由操作系統(tǒng)決定的。
很多操作系統(tǒng)支持多種文件類型。例如，UNIX（同樣包括 OS X）和 Windows 都具有常規(guī)的文件和目錄。除此之外，UNIX 還具有字符特殊文件(character special file) 和 塊特殊文件(block special file)。常規(guī)文件(Regular files) 是包含有用戶信息的文件。用戶一般使用的文件大都是常規(guī)文件，常規(guī)文件一般包括 可執(zhí)行文件、文本文件、圖像文件，從常規(guī)文件讀取數(shù)據(jù)或?qū)?shù)據(jù)寫入時，內(nèi)核會根據(jù)文件系統(tǒng)的規(guī)則執(zhí)行操作，是寫入可能被延遲，記錄日志或者接受其他操作。
字符特殊文件和輸入/輸出有關(guān)，用于串行 I/O 類設(shè)備，如終端、打印機、網(wǎng)絡(luò)等。塊特殊文件用于磁盤類設(shè)備。我們主要討論的是常規(guī)文件。
常規(guī)文件一般分為 ASCII 碼文件或者二進(jìn)制文件。ASCII 碼文件由文本組成。在一些系統(tǒng)中，每行都會用回車符結(jié)束（ASCII碼是13，控制字符 CR，轉(zhuǎn)義字符\r。），另外一些則會使用換行符（ASCII碼是10，控制字符LF，轉(zhuǎn)義字符\n）。一些系統(tǒng)（比如 Windows）兩者都會使用。
ASCII 文件的優(yōu)點在于顯示 和 打印，還可以用任何文本編輯器進(jìn)行編輯。進(jìn)一步來說，如果許多應(yīng)用程序使用 ASCII 碼作為輸入和輸出，那么很容易就能夠把多個程序連接起來，一個程序的輸出可能是另一個程序的輸入，就像管道一樣。
其他與 ASCII 不同的是二進(jìn)制文件。打印出來的二進(jìn)制文件是無法理解的。下面是一個二進(jìn)制文件的格式，它取自早期的 UNIX 。盡管從技術(shù)上來看這個文件只是字節(jié)序列，但是操作系統(tǒng)只有在文件格式正確的情況下才會執(zhí)行。
這個文件有五個段：文件頭、征文、數(shù)據(jù)、重定位位和符號表。文件頭以 魔數(shù)(magic number) 為開始，表明這個文件是一個可執(zhí)行文件（以防止意外執(zhí)行非此格式的文件）。然后是文件各個部分的大小，開始執(zhí)行的標(biāo)志以及一些標(biāo)志位。程序本身的正文和數(shù)據(jù)在文件頭后面，他們被加載到內(nèi)存中或者重定位會根據(jù)重定位位進(jìn)行判斷。符號表則用于調(diào)試。
二進(jìn)制文件的另外一種形式是存檔文件，它由已編譯但沒有鏈接的庫過程（模塊）組合而成。每個文件都以模塊頭開始，其中記錄了名稱、創(chuàng)建日期、所有者、保護(hù)碼和文件大小。和可執(zhí)行文件一樣，模塊頭也都是二進(jìn)制數(shù)，將它們復(fù)制到打印機將會產(chǎn)生亂碼。
所有的操作系統(tǒng)必須至少能夠識別一種文件類型：它自己的可執(zhí)行文件。以前的 TOPS-20 系統(tǒng)（用于DECsystem 20）甚至要檢查要執(zhí)行的任何文件的創(chuàng)建時間，為了定位資源文件來檢查自動文件創(chuàng)建后是否被修改過。如果被修改過了，那么就會自動編譯文件。在 UNIX 中，就是在 shell 中嵌入 make 程序。此時操作系統(tǒng)要求用戶必須采用固定的文件擴(kuò)展名，從而確定哪個源程序生成哪個二進(jìn)制文件。
什么是 make 程序？在軟件發(fā)展過程中，make 程序是一個自動編譯的工具，它通過讀取稱為 Makefiles 的文件來自動從源代碼構(gòu)建可執(zhí)行程序和庫，該文件指定了如何導(dǎo)出目標(biāo)程序。盡管集成開發(fā)環(huán)境和特定于語言的編譯器功能也可以用于管理構(gòu)建過程，但 Make 仍被廣泛使用，尤其是在 Unix 和類似 Unix 的操作系統(tǒng)中使用。
當(dāng)程序從文件中讀寫數(shù)據(jù)時，請求會轉(zhuǎn)到內(nèi)核處理程序(kernel driver)。如果文件是常規(guī)文件，則數(shù)據(jù)由文件系統(tǒng)驅(qū)動程序處理，并且通常存儲在磁盤或其他存儲介質(zhì)上的某塊區(qū)域中，從文件中讀取的數(shù)據(jù)就是之前在該位置寫入的數(shù)據(jù)。
當(dāng)數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭氲皆O(shè)備文件時，請求會被設(shè)備驅(qū)動程序處理。每個設(shè)備文件都有一個關(guān)聯(lián)的編號，該編號標(biāo)示要使用的設(shè)備驅(qū)動程序。設(shè)備處理數(shù)據(jù)的工作是它自己的事兒。
目錄(Directories) 是管理文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)文件。它是用于在計算機上存儲文件的位置。目錄位于分層文件系統(tǒng)中，例如 Linux，MS-DOS 和 UNIX。
它顯示所有本地和子目錄（例如，cdn 目錄中的 big 目錄）。當(dāng)前目錄是 C 盤驅(qū)動器的根目錄。之所以稱為根目錄，是因為該目錄下沒有任何內(nèi)容，而其他目錄都在該目錄下分支。
早期的操作系統(tǒng)只有一種訪問方式：序列訪問(sequential access)。在這些系統(tǒng)中，進(jìn)程可以按照順序讀取所有的字節(jié)或文件中的記錄，但是不能跳過并亂序執(zhí)行它們。順序訪問文件是可以返回到起點的，需要時可以多次讀取該文件。當(dāng)存儲介質(zhì)是磁帶而不是磁盤時，順序訪問文件很方便。
在使用磁盤來存儲文件時，可以不按照順序讀取文件中的字節(jié)或者記錄，或者按照關(guān)鍵字而不是位置來訪問記錄。這種能夠以任意次序進(jìn)行讀取的稱為隨機訪問文件(random access file)。許多應(yīng)用程序都需要這種方式。
隨機訪問文件對許多應(yīng)用程序來說都必不可少，例如，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。如果乘客打電話預(yù)定某航班機票，訂票程序必須能夠直接訪問航班記錄，而不必先讀取其他航班的成千上萬條記錄。
有兩種方法可以指示從何處開始讀取文件。第一種方法是直接使用 read 從頭開始讀取。另一種是用一個特殊的 seek 操作設(shè)置當(dāng)前位置，在 seek 操作后，從這個當(dāng)前位置順序地開始讀文件。UNIX 和 Windows 使用的是后面一種方式。
文件包括文件名和數(shù)據(jù)。除此之外，所有的操作系統(tǒng)還會保存其他與文件相關(guān)的信息，如文件創(chuàng)建的日期和時間、文件大小。我們可以稱這些為文件的屬性(attributes)。有些人也喜歡把它們稱作 元數(shù)據(jù)(metadata)。文件的屬性在不同的系統(tǒng)中差別很大。文件的屬性只有兩種狀態(tài)：設(shè)置(set) 和 清除(clear)。下面是一些常用的屬性
沒有一個系統(tǒng)能夠同時具有上面所有的屬性，但每個屬性都在某個系統(tǒng)中采用。
前面四個屬性（保護(hù)，口令，創(chuàng)建者，所有者）與文件保護(hù)有關(guān)，它們指出了誰可以訪問這個文件，誰不能訪問這個文件。
保護(hù)（File Protection）： 用于保護(hù)計算機上有價值數(shù)據(jù)的方法。文件保護(hù)是通過密碼保護(hù)文件或者僅僅向特定用戶或組提供權(quán)限來實現(xiàn)。
在一些系統(tǒng)中，用戶必須給出口令才能訪問文件。標(biāo)志(flags)是一些位或者短屬性能夠控制或者允許特定屬性。
記錄長度(record-length)、鍵的位置(key-position)和鍵的長度(key-length)等字段只能出現(xiàn)在用關(guān)鍵字查找記錄的文件中。它們提供了查找關(guān)鍵字所需要的信息。
不同的時間字段記錄了文件的創(chuàng)建時間、最近一次訪問時間以及最后一次修改時間，它們的作用不同。例如，目標(biāo)文件生成后被修改的源文件需要重新編譯生成目標(biāo)文件。這些字段提供了必要的信息。
當(dāng)前大小字段指出了當(dāng)前的文件大小，一些舊的大型機操作系統(tǒng)要求在創(chuàng)建文件時指定文件呢最大值，以便讓操作系統(tǒng)提前保留最大存儲值。但是一些服務(wù)器和個人計算機卻不用設(shè)置此功能。
使用文件的目的是用來存儲信息并方便以后的檢索。對于存儲和檢索，不同的系統(tǒng)提供了不同的操作。以下是與文件有關(guān)的最常用的一些系統(tǒng)調(diào)用：
文件系統(tǒng)通常提供目錄(directories) 或者 文件夾(folders) 用于記錄文件的位置，在很多系統(tǒng)中目錄本身也是文件，下面我們會討論關(guān)于文件，他們的組織形式、屬性和可以對文件進(jìn)行的操作。
目錄系統(tǒng)最簡單的形式是有一個能夠包含所有文件的目錄。這種目錄被稱為根目錄(root directory)，由于根目錄的唯一性，所以其名稱并不重要。在最早期的個人計算機中，這種系統(tǒng)很常見，部分原因是因為只有一個用戶。下面是一個單層目錄系統(tǒng)的例子
該目錄中有四個文件。這種設(shè)計的優(yōu)點在于簡單，并且能夠快速定位文件，畢竟只有一個地方可以檢索。這種目錄組織形式現(xiàn)在一般用于簡單的嵌入式設(shè)備（如數(shù)碼相機和某些便攜式音樂播放器）上使用。
對于簡單的應(yīng)用而言，一般都用單層目錄方式，但是這種組織形式并不適合于現(xiàn)代計算機，因為現(xiàn)代計算機含有成千上萬個文件和文件夾。如果都放在根目錄下，查找起來會非常困難。為了解決這一問題，出現(xiàn)了層次目錄系統(tǒng)(Hierarchical Directory Systems)，也稱為目錄樹。通過這種方式，可以用很多目錄把文件進(jìn)行分組。進(jìn)而，如果多個用戶共享同一個文件服務(wù)器，比如公司的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個用戶可以為自己的目錄樹擁有自己的私人根目錄。這種方式的組織結(jié)構(gòu)如下
根目錄含有目錄 A、B 和 C ，分別屬于不同的用戶，其中兩個用戶個字創(chuàng)建了子目錄。用戶可以創(chuàng)建任意數(shù)量的子目錄，現(xiàn)代文件系統(tǒng)都是按照這種方式組織的。
當(dāng)目錄樹組織文件系統(tǒng)時，需要有某種方法指明文件名。常用的方法有兩種，第一種方式是每個文件都會用一個絕對路徑名(absolute path name)，它由根目錄到文件的路徑組成。舉個例子，/usr/ast/mailbox 意味著根目錄包含一個子目錄usr，usr 下面包含了一個 mailbox。絕對路徑名總是以 / 開頭，并且是唯一的。在UNIX中，路徑的組件由/分隔。在Windows中，分隔符為\。 在 MULTICS 中，它是>。 因此，在這三個系統(tǒng)中，相同的路徑名將被編寫如下
Windows \usr\ast\mailbox
UNIX /usr/ast/mailbox
MULTICS >usr>ast>mailbox
不論使用哪種方式，如果路徑名的第一個字符是分隔符，那就是絕對路徑。
另外一種指定文件名的方法是 相對路徑名(relative path name)。它常常和 工作目錄(working directory) （也稱作 當(dāng)前目錄(current directory)）一起使用。用戶可以指定一個目錄作為當(dāng)前工作目錄。例如，如果當(dāng)前目錄是 /usr/ast，那么絕對路徑 /usr/ast/mailbox可以直接使用 mailbox 來引用。也就是說，如果工作目錄是 /usr/ast，則 UNIX 命令
cp /usr/ast/mailbox /usr/ast/mailbox.bak
和命令
cp mailbox mailbox.bak
具有相同的含義。相對路徑通常情況下更加方便和簡潔。而它實現(xiàn)的功能和絕對路徑安全相同。
一些程序需要訪問某個特定的文件而不必關(guān)心當(dāng)前的工作目錄是什么。在這種情況下，應(yīng)該使用絕對路徑名。
支持層次目錄結(jié)構(gòu)的大多數(shù)操作系統(tǒng)在每個目錄中有兩個特殊的目錄項. 和 ..，長讀作 dot 和 dotdot。dot 指的是當(dāng)前目錄，dotdot 指的是其父目錄（在根目錄中例外，在根目錄中指向自己）?？梢詤⒖枷旅娴倪M(jìn)程樹來查看如何使用。
一個進(jìn)程的工作目錄是 /usr/ast，它可采用 .. 沿樹向上，例如，可用命令
cp ../lib/dictionary .
把文件 usr/lib/dictionary 復(fù)制到自己的目錄下，第一個路徑告訴系統(tǒng)向上找（到 usr 目錄），然后向下到 lib 目錄，找到 dictionary 文件
第二個參數(shù) . 指定當(dāng)前的工作目錄，當(dāng) cp 命令用目錄名作為最后一個參數(shù)時，則把全部的文件復(fù)制到該目錄中。當(dāng)然，對于上述復(fù)制，鍵入
cp /usr/lib/dictionary .
是更常用的方法。用戶這里采用 . 可以避免鍵入兩次 dictionary 。無論如何，鍵入
cp /usr/lib/dictionary dictionary
也可正常工作，就像鍵入
cp /usr/lib/dictionary /usr/lib/dictionary
一樣。所有這些命令都能夠完成同樣的工作。
不同文件中管理目錄的系統(tǒng)調(diào)用的差別比管理文件的系統(tǒng)調(diào)用差別大。為了了解這些系統(tǒng)調(diào)用有哪些以及它們怎樣工作，下面給出一個例子（取自 UNIX）。
在對文件有了基本認(rèn)識之后，現(xiàn)在是時候把目光轉(zhuǎn)移到文件系統(tǒng)的實現(xiàn)上了。之前用戶關(guān)心的一直都是文件是怎樣命名的、可以進(jìn)行哪些操作、目錄樹是什么，如何找到正確的文件路徑等問題。而設(shè)計人員關(guān)心的是文件和目錄是怎樣存儲的、磁盤空間是如何管理的、如何使文件系統(tǒng)得以流暢運行的問題，下面我們就來一起討論一下這些問題。
文件系統(tǒng)存儲在磁盤中。大部分的磁盤能夠劃分出一到多個分區(qū)，叫做磁盤分區(qū)(disk partitioning) 或者是磁盤分片(disk slicing)。每個分區(qū)都有獨立的文件系統(tǒng)，每塊分區(qū)的文件系統(tǒng)可以不同。磁盤的 0 號分區(qū)稱為 主引導(dǎo)記錄(Master Boot Record, MBR)，用來引導(dǎo)(boot) 計算機。在 MBR 的結(jié)尾是分區(qū)表(partition table)。每個分區(qū)表給出每個分區(qū)由開始到結(jié)束的地址。系統(tǒng)管理員使用一個稱為分區(qū)編輯器的程序來創(chuàng)建，調(diào)整大小，刪除和操作分區(qū)。這種方式的一個缺點是很難適當(dāng)調(diào)整分區(qū)的大小，導(dǎo)致一個分區(qū)具有很多可用空間，而另一個分區(qū)幾乎完全被分配。
MBR 可以用在 DOS 、Microsoft Windows 和 Linux 操作系統(tǒng)中。從 2010 年代中期開始，大多數(shù)新計算機都改用 GUID 分區(qū)表（GPT）分區(qū)方案。
下面是一個用 GParted 進(jìn)行分區(qū)的磁盤，表中的分區(qū)都被認(rèn)為是 活動的(active)。
當(dāng)計算機開始引 boot 時，BIOS 讀入并執(zhí)行 MBR。
MBR 做的第一件事就是確定活動分區(qū)，讀入它的第一個塊，稱為引導(dǎo)塊(boot block) 并執(zhí)行。引導(dǎo)塊中的程序?qū)⒓虞d分區(qū)中的操作系統(tǒng)。為了一致性，每個分區(qū)都會從引導(dǎo)塊開始，即使引導(dǎo)塊不包含操作系統(tǒng)。引導(dǎo)塊占據(jù)文件系統(tǒng)的前 4096 個字節(jié)，從磁盤上的字節(jié)偏移量 0 開始。引導(dǎo)塊可用于啟動操作系統(tǒng)。
在計算機中，引導(dǎo)就是啟動計算機的過程，它可以通過硬件（例如按下電源按鈕）或者軟件命令的方式來啟動。開機后，電腦的 CPU 還不能執(zhí)行指令，因為此時沒有軟件在主存中，所以一些軟件必須先被加載到內(nèi)存中，然后才能讓 CPU 開始執(zhí)行。也就是計算機開機后，首先會進(jìn)行軟件的裝載過程。
重啟電腦的過程稱為重新引導(dǎo)(rebooting)，從休眠或睡眠狀態(tài)返回計算機的過程不涉及啟動。
除了從引導(dǎo)塊開始之外，磁盤分區(qū)的布局是隨著文件系統(tǒng)的不同而變化的。通常文件系統(tǒng)會包含一些屬性，如下
緊跟在引導(dǎo)塊后面的是 超級塊(Superblock)，超級塊 的大小為 4096 字節(jié)，從磁盤上的字節(jié)偏移 4096 開始。超級塊包含文件系統(tǒng)的所有關(guān)鍵參數(shù)
在計算機啟動或者文件系統(tǒng)首次使用時，超級塊會被讀入內(nèi)存。
接著是文件系統(tǒng)中空閑塊的信息，例如，可以用位圖或者指針列表的形式給出。
BitMap 位圖或者 Bit vector 位向量
位圖或位向量是一系列位或位的集合，其中每個位對應(yīng)一個磁盤塊，該位可以采用兩個值：0和1，0表示已分配該塊，而1表示一個空閑塊。下圖中的磁盤上給定的磁盤塊實例（分配了綠色塊）可以用16位的位圖表示為：0000111000000110。
使用鏈表進(jìn)行管理
在這種方法中，空閑磁盤塊鏈接在一起，即一個空閑塊包含指向下一個空閑塊的指針。第一個磁盤塊的塊號存儲在磁盤上的單獨位置，也緩存在內(nèi)存中。
這里不得不提一個叫做碎片(fragment)的概念，也稱為片段。一般零散的單個數(shù)據(jù)通常稱為片段。 磁盤塊可以進(jìn)一步分為固定大小的分配單元，片段只是在驅(qū)動器上彼此不相鄰的文件片段。如果你不理解這個概念就給你舉個例子。比如你用 Windows 電腦創(chuàng)建了一個文件，你會發(fā)現(xiàn)這個文件可以存儲在任何地方，比如存在桌面上，存在磁盤中的文件夾中或者其他地方。你可以打開文件，編輯文件，刪除文件等等。你可能以為這些都在一個地方發(fā)生，但是實際上并不是，你的硬盤驅(qū)動器可能會將文件中的一部分存儲在一個區(qū)域內(nèi)，另一部分存儲在另外一個區(qū)域，在你打開文件時，硬盤驅(qū)動器會迅速的將文件的所有部分匯總在一起，以便其他計算機系統(tǒng)可以使用它。
然后在后面是一個 inode(index node)，也稱作索引節(jié)點。它是一個數(shù)組的結(jié)構(gòu)，每個文件有一個 inode，inode 非常重要，它說明了文件的方方面面。每個索引節(jié)點都存儲對象數(shù)據(jù)的屬性和磁盤塊位置
有一種簡單的方法可以找到它們 ls -lai 命令。讓我們看一下根文件系統(tǒng)：
inode 節(jié)點主要包括了以下信息
文件分為兩部分，索引節(jié)點和塊。一旦創(chuàng)建后，每種類型的塊數(shù)是固定的。你不能增加分區(qū)上 inode 的數(shù)量，也不能增加磁盤塊的數(shù)量。
緊跟在 inode 后面的是根目錄，它存放的是文件系統(tǒng)目錄樹的根部。最后，磁盤的其他部分存放了其他所有的目錄和文件。
最重要的問題是記錄各個文件分別用到了哪些磁盤塊。不同的系統(tǒng)采用了不同的方法。下面我們會探討一下這些方式。分配背后的主要思想是有效利用文件空間和快速訪問文件 ，主要有三種分配方案
最簡單的分配方案是把每個文件作為一連串連續(xù)數(shù)據(jù)塊存儲在磁盤上。因此，在具有 1KB 塊的磁盤上，將為 50 KB 文件分配 50 個連續(xù)塊。
上面展示了 40 個連續(xù)的內(nèi)存塊。從最左側(cè)的 0 塊開始。初始狀態(tài)下，還沒有裝載文件，因此磁盤是空的。接著，從磁盤開始處（塊 0 ）處開始寫入占用 4 塊長度的內(nèi)存 A 。然后是一個占用 6 塊長度的內(nèi)存 B，會直接在 A 的末尾開始寫。
注意每個文件都會在新的文件塊開始寫，所以如果文件 A 只占用了 3 又 1/2 個塊，那么最后一個塊的部分內(nèi)存會被浪費。在上面這幅圖中，總共展示了 7 個文件，每個文件都會從上個文件的末尾塊開始寫新的文件塊。
連續(xù)的磁盤空間分配有兩個優(yōu)點。
因此，連續(xù)的空間分配具有實現(xiàn)簡單、高性能的特點。
不幸的是，連續(xù)空間分配也有很明顯的不足。隨著時間的推移，磁盤會變得很零碎。下圖解釋了這種現(xiàn)象
這里有兩個文件 D 和 F 被刪除了。當(dāng)刪除一個文件時，此文件所占用的塊也隨之釋放，就會在磁盤空間中留下一些空閑塊。磁盤并不會在這個位置擠壓掉空閑塊，因為這會復(fù)制空閑塊之后的所有文件，可能會有上百萬的塊，這個量級就太大了。
剛開始的時候，這個碎片不是問題，因為每個新文件都會在之前文件的結(jié)尾處進(jìn)行寫入。然而，磁盤最終會被填滿，因此要么壓縮磁盤、要么重新使用空閑塊的空間。壓縮磁盤的開銷太大，因此不可行；后者會維護(hù)一個空閑列表，這個是可行的。但是這種情況又存在一個問題，為空閑塊匹配合適大小的文件，需要知道該文件的最終大小。
想象一下這種設(shè)計的結(jié)果會是怎樣的。用戶啟動 word 進(jìn)程創(chuàng)建文檔。應(yīng)用程序首先會詢問最終創(chuàng)建的文檔會有多大。這個問題必須回答，否則應(yīng)用程序就不會繼續(xù)執(zhí)行。如果空閑塊的大小要比文件的大小小，程序就會終止。因為所使用的磁盤空間已經(jīng)滿了。那么現(xiàn)實生活中，有沒有使用連續(xù)分配內(nèi)存的介質(zhì)出現(xiàn)呢？
CD-ROM 就廣泛的使用了連續(xù)分配方式。
CD-ROM（Compact Disc Read-Only Memory）即只讀光盤，也稱作只讀存儲器。是一種在電腦上使用的光碟。這種光碟只能寫入數(shù)據(jù)一次，信息將永久保存在光碟上，使用時通過光碟驅(qū)動器讀出信息。
然而 DVD 的情況會更加復(fù)雜一些。原則上，一個 90分鐘 的電影能夠被編碼成一個獨立的、大約 4.5 GB 的文件。但是文件系統(tǒng)所使用的 UDF(Universal Disk Format) 格式，使用一個 30 位的數(shù)來代表文件長度，從而把文件大小限制在 1 GB。所以，DVD 電影一般存儲在 3、4個連續(xù)的 1 GB 空間內(nèi)。這些構(gòu)成單個電影中的文件塊稱為擴(kuò)展區(qū)(extends)。
就像我們反復(fù)提到的，歷史總是驚人的相似，許多年前，連續(xù)分配由于其簡單和高性能被實際使用在磁盤文件系統(tǒng)中。后來由于用戶不希望在創(chuàng)建文件時指定文件的大小，于是放棄了這種想法。但是隨著 CD-ROM 、DVD、藍(lán)光光盤等光學(xué)介質(zhì)的出現(xiàn)，連續(xù)分配又流行起來。從而得出結(jié)論，技術(shù)永遠(yuǎn)沒有過時性，現(xiàn)在看似很老的技術(shù)，在未來某個階段可能又會流行起來。
第二種存儲文件的方式是為每個文件構(gòu)造磁盤塊鏈表，每個文件都是磁盤塊的鏈接列表，就像下面所示
每個塊的第一個字作為指向下一塊的指針，塊的其他部分存放數(shù)據(jù)。如果上面這張圖你看的不是很清楚的話，可以看看整個的鏈表分配方案
與連續(xù)分配方案不同，這一方法可以充分利用每個磁盤塊。除了最后一個磁盤塊外，不會因為磁盤碎片而浪費存儲空間。同樣，在目錄項中，只要存儲了第一個文件塊，那么其他文件塊也能夠被找到。
另一方面，在鏈表的分配方案中，盡管順序讀取非常方便，但是隨機訪問卻很困難（這也是數(shù)組和鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一大區(qū)別）。
還有一個問題是，由于指針會占用一些字節(jié)，每個磁盤塊實際存儲數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)并不再是 2 的整數(shù)次冪。雖然這個問題并不會很嚴(yán)重，但是這種方式降低了程序運行效率。許多程序都是以長度為 2 的整數(shù)次冪來讀寫磁盤，由于每個塊的前幾個字節(jié)被指針?biāo)褂?，所以要讀出一個完成的塊大小信息，就需要當(dāng)前塊的信息和下一塊的信息拼湊而成，因此就引發(fā)了查找和拼接的開銷。
由于連續(xù)分配和鏈表分配都有其不可忽視的缺點。所以提出了使用內(nèi)存中的表來解決分配問題。取出每個磁盤塊的指針字，把它們放在內(nèi)存的一個表中，就可以解決上述鏈表的兩個不足之處。下面是一個例子
上圖表示了鏈表形成的磁盤塊的內(nèi)容。這兩個圖中都有兩個文件，文件 A 依次使用了磁盤塊地址 4、7、 2、 10、 12，文件 B 使用了6、3、11 和 14。也就是說，文件 A 從地址 4 處開始，順著鏈表走就能找到文件 A 的全部磁盤塊。同樣，從第 6 塊開始，順著鏈走到最后，也能夠找到文件 B 的全部磁盤塊。你會發(fā)現(xiàn)，這兩個鏈表都以不屬于有效磁盤編號的特殊標(biāo)記（-1）結(jié)束。內(nèi)存中的這種表格稱為 文件分配表(File Application Table,FAT)。
使用這種組織方式，整個塊都可以存放數(shù)據(jù)。進(jìn)而，隨機訪問也容易很多。雖然仍要順著鏈在內(nèi)存中查找給定的偏移量，但是整個鏈都存放在內(nèi)存中，所以不需要任何磁盤引用。與前面的方法相同，不管文件有多大，在目錄項中只需記錄一個整數(shù)（起始塊號），按照它就可以找到文件的全部塊。
這種方式存在缺點，那就是必須要把整個鏈表放在內(nèi)存中。對于 1TB 的磁盤和 1KB 的大小的塊，那么這張表需要有 10 億項。。。每一項對應(yīng)于這 10 億個磁盤塊中的一塊。每項至少 3 個字節(jié)，為了提高查找速度，有時需要 4 個字節(jié)。根據(jù)系統(tǒng)對空間或時間的優(yōu)化方案，這張表要占用 3GB 或 2.4GB 的內(nèi)存。FAT 的管理方式不能較好地擴(kuò)展并應(yīng)用于大型磁盤中。而這正是最初 MS-DOS 文件比較實用，并仍被各個 Windows 版本所安全支持。
最后一個記錄各個文件分別包含哪些磁盤塊的方法是給每個文件賦予一個稱為 inode(索引節(jié)點) 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個文件都與一個 inode 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，inode 由整數(shù)進(jìn)行標(biāo)識。
下面是一個簡單例子的描述。
給出 inode 的長度，就能夠找到文件中的所有塊。
相對于在內(nèi)存中使用表的方式而言，這種機制具有很大的優(yōu)勢。即只有在文件打開時，其 inode 才會在內(nèi)存中。如果每個 inode 需要 n 個字節(jié)，最多 k 個文件同時打開，那么 inode 占有總共打開的文件是 kn 字節(jié)。僅需預(yù)留這么多空間。
這個數(shù)組要比我們上面描述的 FAT(文件分配表) 占用的空間小的多。原因是用于保存所有磁盤塊的鏈接列表的表的大小與磁盤本身成正比。如果磁盤有 n 個塊，那么這個表也需要 n 項。隨著磁盤空間的變大，那么該表也隨之線性增長。相反，inode 需要節(jié)點中的數(shù)組，其大小和可能需要打開的最大文件個數(shù)成正比。它與磁盤是 100GB、4000GB 還是 10000GB 無關(guān)。
inode 的一個問題是如果每個節(jié)點都會有固定大小的磁盤地址，那么文件增長到所能允許的最大容量外會發(fā)生什么？一個解決方案是最后一個磁盤地址不指向數(shù)據(jù)塊，而是指向一個包含額外磁盤塊地址的地址，如上圖所示。一個更高級的解決方案是：有兩個或者更多包含磁盤地址的塊，或者指向其他存放地址的磁盤塊的磁盤塊。Windows 的 NTFS 文件系統(tǒng)采用了相似的方法，所不同的僅僅是大的 inode 也可以表示小的文件。
NTFS 的全稱是 New Technology File System，是微軟公司開發(fā)的專用系統(tǒng)文件，NTFS 取代 FAT(文件分配表) 和 HPFS(高性能文件系統(tǒng)) ，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。例如增強對元數(shù)據(jù)的支持，使用更高級的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以提升性能、可靠性和磁盤空間利用率等。
文件只有打開后才能夠被讀取。在文件打開后，操作系統(tǒng)會使用用戶提供的路徑名來定位磁盤中的目錄。目錄項提供了查找文件磁盤塊所需要的信息。根據(jù)系統(tǒng)的不同，提供的信息也不同，可能提供的信息是整個文件的磁盤地址，或者是第一個塊的數(shù)量（兩個鏈表方案）或 inode的數(shù)量。不過不管用那種情況，目錄系統(tǒng)的主要功能就是 將文件的 ASCII 碼的名稱映射到定位數(shù)據(jù)所需的信息上。
與此關(guān)系密切的問題是屬性應(yīng)該存放在哪里。每個文件系統(tǒng)包含不同的文件屬性，例如文件的所有者和創(chuàng)建時間，需要存儲的位置。一種顯而易見的方法是直接把文件屬性存放在目錄中。有一些系統(tǒng)恰好是這么做的，如下。
在這種簡單的設(shè)計中，目錄有一個固定大小的目錄項列表，每個文件對應(yīng)一項，其中包含一個固定長度的文件名，文件屬性的結(jié)構(gòu)體以及用以說明磁盤塊位置的一個或多個磁盤地址。
對于采用 inode 的系統(tǒng)，會把 inode 存儲在屬性中而不是目錄項中。在這種情況下，目錄項會更短：僅僅只有文件名稱和 inode 數(shù)量。這種方式如下所示
到目前為止，我們已經(jīng)假設(shè)文件具有較短的、固定長度的名字。在 MS-DOS 中，具有 1 - 8 個字符的基本名稱和 1 - 3 個字符的可拓展名稱。在 UNIX 版本 7 中，文件有 1 - 14 個字符，包括任何拓展。然而，幾乎所有的現(xiàn)代操作系統(tǒng)都支持可變長度的擴(kuò)展名。這是如何實現(xiàn)的呢？
最簡單的方式是給予文件名一個長度限制，比如 255 個字符，然后使用上圖中的設(shè)計，并為每個文件名保留 255 個字符空間。這種處理很簡單，但是浪費了大量的目錄空間，因為只有很少的文件會有那么長的文件名稱。所以，需要一種其他的結(jié)構(gòu)來處理。
一種可選擇的方式是放棄所有目錄項大小相同的想法。在這種方法中，每個目錄項都包含一個固定部分，這個固定部分通常以目錄項的長度開始，后面是固定格式的數(shù)據(jù)，通常包括所有者、創(chuàng)建時間、保護(hù)信息和其他屬性。這個固定長度的頭的后面是一個任意長度的實際文件名，如下圖所示
上圖是 SPARC 機器使用正序放置。
處理機中的一串字符存放的順序有正序(big-endian) 和逆序(little-endian) 之分。正序存放的就是高字節(jié)在前低字節(jié)在后，而逆序存放的就是低字節(jié)在前高字節(jié)在后。
這個例子中，有三個文件，分別是 project-budget、personnel 和 foo。每個文件名以一個特殊字符（通常是 0 ）結(jié)束，用矩形中的叉進(jìn)行表示。為了使每個目錄項從字的邊界開始，每個文件名被填充成整數(shù)個字，如下圖所示
這個方法的缺點是當(dāng)文件被移除后，就會留下一塊固定長度的空間，而新添加進(jìn)來的文件大小不一定和空閑空間大小一致。
這個問題與我們上面探討的連續(xù)磁盤文件的問題是一樣的，由于整個目錄在內(nèi)存中，所以只有對目錄進(jìn)行緊湊拼接操作才可節(jié)省空間。另一個問題是，一個目錄項可能會分布在多個頁上，在讀取文件名時可能發(fā)生缺頁中斷。
處理可變長度文件名字的另外一種方法是，使目錄項自身具有固定長度，而將文件名放在目錄末尾的堆棧中。如上圖所示的這種方式。這種方法的優(yōu)點是當(dāng)目錄項被移除后，下一個文件將能夠正常匹配移除文件的空間。當(dāng)然，必須要對堆進(jìn)行管理，因為在處理文件名的時候也會發(fā)生缺頁異常。
到目前為止的所有設(shè)計中，在需要查找文件名時，所有的方案都是線性的從頭到尾對目錄進(jìn)行搜索。對于特別長的目錄，線性搜索的效率很低。提高文件檢索效率的一種方式是在每個目錄上使用哈希表(hash table)，也叫做散列表。我們假設(shè)表的大小為 n，在輸入文件名時，文件名被散列在 0 和 n - 1 之間，例如，它被 n 除，并取余數(shù)。或者對構(gòu)成文件名字的字求和或類似某種方法。
無論采用哪種方式，在添加一個文件時都要對與散列值相對 應(yīng)的散列表進(jìn)行檢查。如果沒有使用過，就會將一個指向目錄項的指針指向這里。文件目錄項緊跟著哈希表后面。如果已經(jīng)使用過，就會構(gòu)造一個鏈表（這種構(gòu)造方式是不是和 HashMap 使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一樣？），鏈表的表頭指針存放在表項中，并通過哈希值將所有的表項相連。
查找文件的過程和添加類似，首先對文件名進(jìn)行哈希處理，在哈希表中查找是否有這個哈希值，如果有的話，就檢查這條鏈上所有的哈希項，查看文件名是否存在。如果哈希不在鏈上，那么文件就不在目錄中。
使用哈希表的優(yōu)勢是查找非常迅速，缺點是管理起來非常復(fù)雜。只有在系統(tǒng)中會有成千上萬個目錄項存在時，才會考慮使用散列表作為解決方案。
另外一種在大量目錄中加快查找指令目錄的方法是使用緩存，緩存查找的結(jié)果。在開始查找之前，會首先檢查文件名是否在緩存中。如果在緩存中，那么文件就能立刻定位。當(dāng)然，只有在較少的文件下進(jìn)行多次查找，緩存才會發(fā)揮最大功效。
當(dāng)多個用戶在同一個項目中工作時，他們通常需要共享文件。如果這個共享文件同時出現(xiàn)在多個用戶目錄下，那么他們協(xié)同工作起來就很方便。下面的這張圖我們在上面提到過，但是有一個更改的地方，就是 C 的一個文件也出現(xiàn)在了 B 的目錄下。
如果按照如上圖的這種組織方式而言，那么 B 的目錄與該共享文件的聯(lián)系稱為 鏈接(link)。那么文件系統(tǒng)現(xiàn)在就是一個 有向無環(huán)圖(Directed Acyclic Graph, 簡稱 DAG)，而不是一棵樹了。
在圖論中，如果一個有向圖從任意頂點出發(fā)無法經(jīng)過若干條邊回到該點，則這個圖是一個有向無環(huán)圖，我們不會在此著重探討關(guān)于圖論的東西，大家可以自行 google。
將文件系統(tǒng)組織成為有向無環(huán)圖會使得維護(hù)復(fù)雜化，但也是必須要付出的代價。
共享文件很方便，但這也會帶來一些問題。如果目錄中包含磁盤地址，則當(dāng)鏈接文件時，必須把 C 目錄中的磁盤地址復(fù)制到 B 目錄中。如果 B 或者 C 隨后又向文件中添加內(nèi)容，則僅在執(zhí)行追加的用戶的目錄中顯示新寫入的數(shù)據(jù)塊。這種變更將會對其他用戶不可見，從而破壞了共享的目的。
有兩種方案可以解決這種問題。
上面的每一種方法都有各自的缺點，在第一種方式中，B 鏈接到共享文件時，inode 記錄文件的所有者為 C。建立一個鏈接并不改變所有關(guān)系，如下圖所示。
第一開始的情況如圖 a 所示，此時 C 的目錄的所有者是 C ，當(dāng)目錄 B 鏈接到共享文件時，并不會改變 C 的所有者關(guān)系，只是把計數(shù) + 1，所以此時 系統(tǒng)知道目前有多少個目錄指向這個文件。然后 C 嘗試刪除這個文件，這個時候有個問題，如果 C 把文件移除并清除了 inode 的話，那么 B 會有一個目錄項指向無效的節(jié)點。如果 inode 以后分配給另一個文件，則 B 的鏈接指向一個錯誤的文件。系統(tǒng)通過 inode 可知文件仍在被引用，但是沒有辦法找到該文件的全部目錄項以刪除它們。指向目錄的指針不能存儲在 inode 中，原因是有可能有無數(shù)個這樣的目錄。
所以我們能做的就是刪除 C 的目錄項，但是將 inode 保留下來，并將計數(shù)設(shè)置為 1 ，如上圖 c 所示。c 表示的是只有 B 有指向該文件的目錄項，而該文件的前者是 C 。如果系統(tǒng)進(jìn)行記賬操作的話，那么 C 將繼續(xù)為該文件付賬直到 B 決定刪除它，如果是這樣的話，只有到計數(shù)變?yōu)?0 的時刻，才會刪除該文件。
對于符號鏈接，以上問題不會發(fā)生，只有真正的文件所有者才有一個指向 inode 的指針。鏈接到該文件上的用戶只有路徑名，沒有指向 inode 的指針。當(dāng)文件所有者刪除文件時，該文件被銷毀。以后若試圖通過符號鏈接訪問該文件將會失敗，因為系統(tǒng)不能找到該文件。刪除符號鏈接不會影響該文件。
符號鏈接的問題是需要額外的開銷。必須讀取包含路徑的文件，然后要一個部分接一個部分地掃描路徑，直到找到 inode 。這些操作也許需要很多次額外的磁盤訪問。此外，每個符號鏈接都需要額外的 inode ，以及額外的一個磁盤塊用于存儲路徑，雖然如果路徑名很短，作為一種優(yōu)化，系統(tǒng)可以將它存儲在 inode 中。符號鏈接有一個優(yōu)勢，即只要簡單地提供一個機器的網(wǎng)絡(luò)地址以及文件在該機器上駐留的路徑，就可以連接全球任何地方機器上的文件。
還有另一個由鏈接帶來的問題，在符號鏈接和其他方式中都存在。如果允許鏈接，文件有兩個或多個路徑。查找一指定目錄及其子目錄下的全部文件的程序?qū)⒍啻味ㄎ坏奖绘溄拥奈募?。例如，一個將某一目錄及其子目錄下的文件轉(zhuǎn)存到磁帶上的程序有可能多次復(fù)制一個被鏈接的文件。進(jìn)而，如果接著把磁帶讀入另一臺機器，除非轉(zhuǎn)出程序具有智能，否則被鏈接的文件將被兩次復(fù)制到磁盤上，而不是只是被鏈接起來。
技術(shù)的改變會給當(dāng)前的文件系統(tǒng)帶來壓力。這種情況下，CPU 會變得越來越快，磁盤會變得越來越大并且越來越便宜（但不會越來越快）。內(nèi)存容量也是以指數(shù)級增長。但是磁盤的尋道時間（除了固態(tài)盤，因為固態(tài)盤沒有尋道時間）并沒有獲得提高。
這些因素結(jié)合起來意味著許多系統(tǒng)文件中出現(xiàn)性能瓶頸。為此，Berkeley 設(shè)計了一種全新的文件系統(tǒng)，試圖緩解這個問題，這個文件系統(tǒng)就是 日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)(Log-structured File System, LFS)。
日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)由 Rosenblum 和 Ousterhout 于90年代初引入，旨在解決以下問題。
另一方面，當(dāng)時的文件系統(tǒng)不論是 UNIX 還是 FFS，都有大量的隨機讀寫（在 FFS 中創(chuàng)建一個新文件至少需要5次隨機寫），因此成為整個系統(tǒng)的性能瓶頸。同時因為 Page cache 的存在，作者認(rèn)為隨機讀不是主要問題：隨著越來越大的內(nèi)存，大部分的讀操作都能被 cache，因此 LFS 主要要解決的是減少對硬盤的隨機寫操作。
在這種設(shè)計中，inode 甚至具有與 UNIX 中相同的結(jié)構(gòu)，但是現(xiàn)在它們分散在整個日志中，而不是位于磁盤上的固定位置。所以，inode 很定位。為了能夠找到 inode ，維護(hù)了一個由 inode 索引的 inode map(inode 映射)。表項 i 指向磁盤中的第 i 個 inode 。這個映射保存在磁盤中，但是也保存在緩存中，因此，使用最頻繁的部分大部分時間都在內(nèi)存中。
日志結(jié)構(gòu)文件系統(tǒng)主要使用四種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Inode、Inode Map、Segment、Segment Usage Table。
到目前為止，所有寫入最初都緩存在內(nèi)存中，并且追加在日志末尾，所有緩存的寫入都定期在單個段中寫入磁盤。所以，現(xiàn)在打開文件也就意味著用映射定位文件的索引節(jié)點。一旦 inode 被定位后，磁盤塊的地址就能夠被找到。所有這些塊本身都將位于日志中某處的分段中。
真實情況下的磁盤容量是有限的，所以最終日志會占滿整個磁盤空間，這種情況下就會出現(xiàn)沒有新的磁盤塊被寫入到日志中。幸運的是，許多現(xiàn)有段可能具有不再需要的塊。例如，如果一個文件被覆蓋了，那么它的 inode 將被指向新的塊，但是舊的磁盤塊仍在先前寫入的段中占據(jù)著空間。
為了處理這個問題，LFS 有一個清理(clean)線程，它會循環(huán)掃描日志并對日志進(jìn)行壓縮。首先，通過查看日志中第一部分的信息來查看其中存在哪些索引節(jié)點和文件。它會檢查當(dāng)前 inode 的映射來查看 inode 否在在當(dāng)前塊中，是否仍在被使用。如果不是，該信息將被丟棄。如果仍然在使用，那么 inode 和塊就會進(jìn)入內(nèi)存等待寫回到下一個段中。然后原來的段被標(biāo)記為空閑，以便日志可以用來存放新的數(shù)據(jù)。用這種方法，清理線程遍歷日志，從后面移走舊的段，然后將有效的數(shù)據(jù)放入內(nèi)存等待寫到下一個段中。由此一來整個磁盤會形成一個大的環(huán)形緩沖區(qū)，寫線程將新的段寫在前面，而清理線程則清理后面的段。
雖然日志結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的設(shè)計很優(yōu)雅，但是由于它們和現(xiàn)有的文件系統(tǒng)不相匹配，因此還沒有廣泛使用。不過，從日志文件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)衍生出來一種新的日志系統(tǒng)，叫做日志文件系統(tǒng)，它會記錄系統(tǒng)下一步將要做什么的日志。微軟的 NTFS 文件系統(tǒng)、Linux 的 ext3 就使用了此日志。 OS X 將日志系統(tǒng)作為可供選項。為了看清它是如何工作的，我們下面討論一個例子，比如 移除文件 ，這個操作在 UNIX 中需要三個步驟完成：
在 Windows 中，也存在類似的步驟。不存在系統(tǒng)崩潰時，這些步驟的執(zhí)行順序不會帶來問題。但是一旦系統(tǒng)崩潰，就會帶來問題。假如在第一步完成后系統(tǒng)崩潰。inode 和文件塊將不會被任何文件獲得，也不會再分配；它們只存在于廢物池中的某個地方，并因此減少了可利用的資源。如果崩潰發(fā)生在第二步后，那么只有磁盤塊會丟失。日志文件系統(tǒng)保留磁盤寫入期間對文件系統(tǒng)所做的更改的日志或日志，該日志可用于快速重建可能由于系統(tǒng)崩潰或斷電等事件而發(fā)生的損壞。
一般文件系統(tǒng)崩潰后必須運行 fsck（文件系統(tǒng)一致性檢查）實用程序。
為了讓日志能夠正確工作，被寫入的日志操作必須是 冪等的(idempotent)，它意味著只要有必要，它們就可以重復(fù)執(zhí)行很多次，并不會帶來破壞。像操作 更新位表并標(biāo)記 inode k 或者塊 n 是空閑的 可以重復(fù)執(zhí)行任意次。同樣地，查找一個目錄并且刪除所有叫 foobar 的項也是冪等的。相反，把從 inode k 新釋放的塊加入空閑表的末端不是冪等的，因為它們可能已經(jīng)被釋放并存放在那里了。
為了增加可靠性，一個文件系統(tǒng)可以引入數(shù)據(jù)庫中 原子事務(wù)(atomic transaction) 的概念。使用這個概念，一組動作可以被界定在開始事務(wù)和結(jié)束事務(wù)操作之間。這樣，文件系統(tǒng)就會知道它必須完成所有的動作，要么就一個不做。
即使在同一臺計算機上或者在同一個操作系統(tǒng)下，都會使用很多不同的文件系統(tǒng)。Windows 中的主要文件系統(tǒng)是 NTFS 文件系統(tǒng)，但不是說 Windows 只有 NTFS 操作系統(tǒng)，它還有一些其他的例如舊的 FAT -32 或FAT -16 驅(qū)動器或分區(qū)，其中包含仍需要的數(shù)據(jù)，閃存驅(qū)動器，舊的 CD-ROM 或 DVD（每個都有自己的獨特文件系統(tǒng)）。Windows 通過指定不同的盤符來處理這些不同的文件系統(tǒng)，比如 C:，D: 等。盤符可以顯示存在也可以隱式存在，如果你想找指定位置的文件，那么盤符是顯示存在；如果當(dāng)一個進(jìn)程打開一個文件時，此時盤符是隱式存在，所以 Windows 知道向哪個文件系統(tǒng)傳遞請求。
相比之下，UNIX 采用了一種不同的方式，即 UNIX 把多種文件系統(tǒng)整合到一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)中。一個 Linux 系統(tǒng)可以使用 ext2 作為根文件系統(tǒng)，ext3 分區(qū)裝載在 /usr 下，另一塊采用 Reiser FS 文件系統(tǒng)的硬盤裝載到 /home下，以及一個 ISO 9660 的 CD - ROM 臨時裝載到 /mnt 下。從用戶的觀點來看，只有一個文件系統(tǒng)層級，但是事實上它們是由多個文件系統(tǒng)組合而成，對于用戶和進(jìn)程是不可見的。
UNIX 操作系統(tǒng)使用一種 虛擬文件系統(tǒng)(Virtual File System, VFS) 來嘗試將多種文件系統(tǒng)構(gòu)成一個有序的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵的思想是抽象出所有文件系統(tǒng)都共有的部分，并將這部分代碼放在一層，這一層再調(diào)用具體文件系統(tǒng)來管理數(shù)據(jù)。下面是一個 VFS 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
還是那句經(jīng)典的話，在計算機世界中，任何解決不了的問題都可以加個代理來解決。所有和文件相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用在最初的處理上都指向虛擬文件系統(tǒng)。這些來自用戶進(jìn)程的調(diào)用，都是標(biāo)準(zhǔn)的 POSIX 系統(tǒng)調(diào)用，比如 open、read、write 和 seek 等。VFS 對用戶進(jìn)程有一個 上層 接口，這個接口就是著名的 POSIX 接口。
VFS 也有一個對于實際文件的 下層 接口，就是上圖中標(biāo)記為 VFS 的接口。這個接口包含許多功能調(diào)用，這樣 VFS 可以使每一個文件系統(tǒng)完成任務(wù)。因此，要創(chuàng)建一個可以與 VFS 一起使用的新文件系統(tǒng)，新文件系統(tǒng)的設(shè)計者必須確保它提供了 VFS 要求的功能。一個明顯的例子是從磁盤讀取特定的塊，然后將其放入文件系統(tǒng)的緩沖區(qū)高速緩存中，然后返回指向該塊的指針的函數(shù)。 因此，VFS具有兩個不同的接口：上一個到用戶進(jìn)程，下一個到具體文件系統(tǒng)。
當(dāng)系統(tǒng)啟動時，根文件系統(tǒng)在 VFS 中注冊。另外，當(dāng)裝載其他文件時，不管在啟動時還是在操作過程中，它們也必須在 VFS 中注冊。當(dāng)一個文件系統(tǒng)注冊時，根文件系統(tǒng)注冊到 VFS。另外，在引導(dǎo)時或操作期間掛載其他文件系統(tǒng)時，它們也必須向 VFS 注冊。當(dāng)文件系統(tǒng)注冊時，其基本作用是提供 VFS 所需功能的地址列表、調(diào)用向量表、或者 VFS 對象。因此一旦文件系統(tǒng)注冊到 VFS，它就知道從哪里開始讀取數(shù)據(jù)塊。
裝載文件系統(tǒng)后就可以使用它了。比如，如果一個文件系統(tǒng)裝載到 /usr 并且一個進(jìn)程調(diào)用它：
open("/usr/include/unistd.h",O_RDONLY)
當(dāng)解析路徑時， VFS 看到新的文件系統(tǒng)被掛載到 /usr，并且通過搜索已經(jīng)裝載文件系統(tǒng)的超級塊來確定它的超塊。然后它找到它所轉(zhuǎn)載的文件的根目錄，在那里查找路徑 include/unistd.h。然后 VFS 創(chuàng)建一個 vnode 并調(diào)用實際文件系統(tǒng)，以返回所有的在文件 inode 中的信息。這個信息和其他信息一起復(fù)制到 vnode （內(nèi)存中）。而這些其他信息中最重要的是指向包含調(diào)用 vnode 操作的函數(shù)表的指針，比如 read、write 和 close 等。
當(dāng) vnode 被創(chuàng)建后，為了進(jìn)程調(diào)用，VFS 在文件描述符表中創(chuàng)建一個表項，并將它指向新的 vnode，最后，VFS 向調(diào)用者返回文件描述符，所以調(diào)用者可以用它去 read、write 或者 close 文件。
當(dāng)進(jìn)程用文件描述符進(jìn)行一個讀操作時，VFS 通過進(jìn)程表和文件描述符確定 vnode 的位置，并跟隨指針指向函數(shù)表，這樣就調(diào)用了處理 read 函數(shù)，運行在實際系統(tǒng)中的代碼并得到所請求的塊。VFS 不知道請求時來源于本地硬盤、還是來源于網(wǎng)絡(luò)中的遠(yuǎn)程文件系統(tǒng)、CD-ROM 、USB 或者其他介質(zhì)，所有相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)歐如下圖所示
從調(diào)用者進(jìn)程號和文件描述符開始，進(jìn)而是 vnode，讀函數(shù)指針，然后是對實際文件系統(tǒng)的訪問函數(shù)定位。
能夠使文件系統(tǒng)工作是一回事，能夠使文件系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的工作是另一回事，下面我們就來探討一下文件系統(tǒng)的管理和優(yōu)化。
文件通常存在磁盤中，所以如何管理磁盤空間是一個操作系統(tǒng)的設(shè)計者需要考慮的問題。在文件上進(jìn)行存有兩種策略：分配 n 個字節(jié)的連續(xù)磁盤空間；或者把文件拆分成多個并不一定連續(xù)的塊。在存儲管理系統(tǒng)中，主要有分段管理和 分頁管理 兩種方式。
正如我們所看到的，按連續(xù)字節(jié)序列存儲文件有一個明顯的問題，當(dāng)文件擴(kuò)大時，有可能需要在磁盤上移動文件。內(nèi)存中分段也有同樣的問題。不同的是，相對于把文件從磁盤的一個位置移動到另一個位置，內(nèi)存中段的移動操作要快很多。因此，幾乎所有的文件系統(tǒng)都把文件分割成固定大小的塊來存儲。
一旦把文件分為固定大小的塊來存儲，就會出現(xiàn)問題，塊的大小是多少？按照磁盤組織方式，扇區(qū)、磁道和柱面顯然都可以作為分配單位。在分頁系統(tǒng)中，分頁大小也是主要因素。
擁有大的塊尺寸意味著每個文件，甚至 1 字節(jié)文件，都要占用一個柱面空間，也就是說小文件浪費了大量的磁盤空間。另一方面，小塊意味著大部分文件將會跨越多個塊，因此需要多次搜索和旋轉(zhuǎn)延遲才能讀取它們，從而降低了性能。因此，如果分配的塊太大會浪費空間；分配的塊太小會浪費時間。
一旦指定了塊大小，下一個問題就是怎樣跟蹤空閑塊。有兩種方法被廣泛采用，如下圖所示
第一種方法是采用磁盤塊鏈表，鏈表的每個塊中包含極可能多的空閑磁盤塊號。對于 1 KB 的塊和 32 位的磁盤塊號，空閑表中每個塊包含有 255 個空閑的塊號?？紤] 1 TB 的硬盤，擁有大概十億個磁盤塊。為了存儲全部地址塊號，如果每塊可以保存 255 個塊號，則需要將近 400 萬個塊。通常，空閑塊用于保存空閑列表，因此存儲基本上是空閑的。
另一種空閑空間管理的技術(shù)是位圖(bitmap)，n 個塊的磁盤需要 n 位位圖。在位圖中，空閑塊用 1 表示，已分配的塊用 0 表示。對于 1 TB 硬盤的例子，需要 10 億位表示，即需要大約 130 000 個 1 KB 塊存儲。很明顯，和 32 位鏈表模型相比，位圖需要的空間更少，因為每個塊使用 1 位。只有當(dāng)磁盤快滿的時候，鏈表需要的塊才會比位圖少。
如果空閑塊是長期連續(xù)的話，那么空閑列表可以改成記錄連續(xù)分塊而不是單個的塊。每個塊都會使用 8位、16位、32 位的計數(shù)來與每個塊相聯(lián)，來記錄連續(xù)空閑塊的數(shù)量。最好的情況是一個空閑塊可以用兩個數(shù)字來表示：第一個空閑塊的地址和空閑塊的計數(shù)。另一方面，如果磁盤嚴(yán)重碎片化，那么跟蹤連續(xù)分塊要比跟蹤單個分塊運行效率低，因為不僅要存儲地址，還要存儲數(shù)量。
這種情況說明了一個操作系統(tǒng)設(shè)計者經(jīng)常遇到的一個問題。有許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法可以用來解決問題，但是選擇一個最好的方案需要數(shù)據(jù)的支持，而這些數(shù)據(jù)是設(shè)計者無法預(yù)先擁有的。只有在系統(tǒng)部署完畢真正使用使用后才會獲得。
現(xiàn)在，回到空閑鏈表的方法，只有一個指針塊保存在內(nèi)存中。創(chuàng)建文件時，所需要的塊從指針塊中取出。當(dāng)它用完時，將從磁盤中讀取一個新的指針塊。類似地，刪除文件時，文件的塊將被釋放并添加到主存中的指針塊中。當(dāng)塊被填滿時，寫回磁盤。
在某些特定的情況下，這個方法導(dǎo)致了不必要的磁盤 IO，如下圖所示
上面內(nèi)存中的指針塊僅有兩個空閑塊，如果釋放了一個含有三個磁盤塊的文件，那么該指針塊就會溢出，必須將其寫入磁盤，那么就會產(chǎn)生如下圖的這種情況。
如果現(xiàn)在寫入含有三個塊的文件，已滿的指針不得不再次讀入，這將會回到上圖 a 中的情況。如果有三個塊的文件只是作為臨時文件被寫入，在釋放它時，需要進(jìn)行另一次磁盤寫操作以將完整的指針塊寫回到磁盤。簡而言之，當(dāng)指針塊幾乎為空時，一系列短暫的臨時文件可能會導(dǎo)致大量磁盤 I/O。
避免大部分磁盤 I/O 的另一種方法是拆分完整的指針塊。這樣，當(dāng)釋放三個塊時，變化不再是從 a - b，而是從 a - c，如下圖所示
現(xiàn)在，系統(tǒng)可以處理一系列臨時文件，而不需要進(jìn)行任何磁盤 I/O。如果內(nèi)存中指針塊滿了，就寫入磁盤，半滿的指針塊從磁盤中讀入。這里的思想是：要保持磁盤上的大多數(shù)指針塊為滿的狀態(tài)（減少磁盤的使用），但是在內(nèi)存中保留了一個半滿的指針塊。這樣，就可以既處理文件的創(chuàng)建又同時可以處理文件的刪除操作，而不會為空閑表進(jìn)行磁盤 I/O。
對于位圖，會在內(nèi)存中只保留一個塊，只有在該塊滿了或空了的情形下，才到磁盤上取另一個塊。通過在位圖的單一塊上進(jìn)行所有的分配操作，磁盤塊會緊密的聚集在一起，從而減少了磁盤臂的移動。由于位圖是一種固定大小的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以如果內(nèi)核是分頁的，就可以把位圖放在虛擬內(nèi)存中，在需要時將位圖的頁面調(diào)入。
為了防止一些用戶占用太多的磁盤空間，多用戶操作通常提供一種磁盤配額(enforcing disk quotas)的機制。系統(tǒng)管理員為每個用戶分配最大的文件和塊分配，并且操作系統(tǒng)確保用戶不會超過其配額。我們下面會談到這一機制。
在用戶打開一個文件時，操作系統(tǒng)會找到文件屬性和磁盤地址，并把它們送入內(nèi)存中的打開文件表。其中一個屬性告訴文件所有者是誰。任何有關(guān)文件的增加都會記到所有者的配額中。
第二張表包含了每個用戶當(dāng)前打開文件的配額記錄，即使是其他人打開該文件也一樣。如上圖所示，該表的內(nèi)容是從被打開文件的所有者的磁盤配額文件中提取出來的。當(dāng)所有文件關(guān)閉時，該記錄被寫回配額文件。
當(dāng)在打開文件表中建立一新表項時，會產(chǎn)生一個指向所有者配額記錄的指針。每次向文件中添加一個塊時，文件所有者所用數(shù)據(jù)塊的總數(shù)也隨之增加，并會同時增加硬限制和軟限制的檢查?？梢猿鲕浵拗疲蚕拗撇豢梢猿?。當(dāng)已達(dá)到硬限制時，再往文件中添加內(nèi)容將引發(fā)錯誤。同樣，對文件數(shù)目也存在類似的檢查。
什么是硬限制和軟限制？硬限制是軟限制的上限。軟限制是為會話或進(jìn)程實際執(zhí)行的限制。這允許管理員（或用戶）將硬限制設(shè)置為允許它們希望允許的最大使用上限。然后，其他用戶和進(jìn)程可以根據(jù)需要使用軟限制將其資源使用量自限制到更低的上限。
當(dāng)一個用戶嘗試登陸，系統(tǒng)將檢查配額文件以查看用戶是否超出了文件數(shù)量或磁盤塊數(shù)量的軟限制。如果違反了任一限制，則會顯示警告，保存的警告計數(shù)減 1，如果警告計數(shù)為 0 ，表示用戶多次忽略該警告，因而將不允許該用戶登錄。要想再得到登錄的許可，就必須與系統(tǒng)管理員協(xié)商。
如果用戶在退出系統(tǒng)時消除所超過的部分，他們就可以再一次終端會話期間超過其軟限制，但無論什么情況下都不會超過硬限制。
文件系統(tǒng)的毀壞要比計算機的損壞嚴(yán)重很多。無論是硬件還是軟件的故障，只要計算機文件系統(tǒng)被破壞，要恢復(fù)起來都是及其困難的，甚至是不可能的。因為文件系統(tǒng)無法抵御破壞，因而我們要在文件系統(tǒng)在被破壞之前做好數(shù)據(jù)備份，但是備份也不是那么容易，下面我們就來探討備份的過程。
許多人認(rèn)為為文件系統(tǒng)做備份是不值得的，并且很浪費時間，直到有一天他們的磁盤壞了，他們才意識到事情的嚴(yán)重性。相對來說，公司在這方面做的就很到位。磁帶備份主要要處理好以下兩個潛在問題中的一個
這個問題主要是由于外部條件的原因造成的，比如磁盤破裂，水災(zāi)火災(zāi)等。
第二個問題通常是由于用戶意外的刪除了原本需要還原的文件。這種情況發(fā)生的很頻繁，使得 Windows 的設(shè)計者們針對 刪除 命令專門設(shè)計了特殊目錄，這就是 回收站(recycle bin)，也就是說，在刪除文件的時候，文件本身并不真正從磁盤上消失，而是被放置到這個特殊目錄下，等以后需要的時候可以還原回去。文件備份更主要是指這種情況，能夠允許幾天之前，幾周之前的文件從原來備份的磁盤進(jìn)行還原。
做文件備份很耗費時間而且也很浪費空間，這會引起下面幾個問題。首先，是要備份整個文件還是僅備份一部分呢？一般來說，只是備份特定目錄及其下的全部文件，而不是備份整個文件系統(tǒng)。
其次，對上次未修改過的文件再進(jìn)行備份是一種浪費，因而產(chǎn)生了一種增量轉(zhuǎn)儲(incremental dumps) 的思想。最簡單的增量轉(zhuǎn)儲的形式就是周期性的做全面的備份，而每天只對增量轉(zhuǎn)儲完成后發(fā)生變化的文件做單個備份。
周期性：比如一周或者一個月
稍微好一點的方式是只備份最近一次轉(zhuǎn)儲以來更改過的文件。當(dāng)然，這種做法極大的縮減了轉(zhuǎn)儲時間，但恢復(fù)起來卻更復(fù)雜，因為最近的全面轉(zhuǎn)儲先要全部恢復(fù)，隨后按逆序進(jìn)行增量轉(zhuǎn)儲。為了方便恢復(fù)，人們往往使用更復(fù)雜的轉(zhuǎn)儲模式。
第三，既然待轉(zhuǎn)儲的往往是海量數(shù)據(jù)，那么在將其寫入磁帶之前對文件進(jìn)行壓縮就很有必要。但是，如果在備份過程中出現(xiàn)了文件損壞的情況，就會導(dǎo)致破壞壓縮算法，從而使整個磁帶無法讀取。所以在備份前是否進(jìn)行文件壓縮需慎重考慮。
第四，對正在使用的文件系統(tǒng)做備份是很難的。如果在轉(zhuǎn)儲過程中要添加，刪除和修改文件和目錄，則轉(zhuǎn)儲結(jié)果可能不一致。因此，因為轉(zhuǎn)儲過程中需要花費數(shù)個小時的時間，所以有必要在晚上將系統(tǒng)脫機進(jìn)行備份，然而這種方式的接受程度并不高。所以，人們修改了轉(zhuǎn)儲算法，記下文件系統(tǒng)的瞬時快照，即復(fù)制關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后需要把將來對文件和目錄所做的修改復(fù)制到塊中，而不是到處更新他們。
磁盤轉(zhuǎn)儲到備份磁盤上有兩種方案：物理轉(zhuǎn)儲和邏輯轉(zhuǎn)儲。物理轉(zhuǎn)儲(physical dump) 是從磁盤的 0 塊開始，依次將所有磁盤塊按照順序?qū)懭氲捷敵龃疟P，并在復(fù)制最后一個磁盤時停止。這種程序的萬無一失性是其他程序所不具備的。
第二個需要考慮的是壞塊的轉(zhuǎn)儲。制造大型磁盤而沒有瑕疵是不可能的，所以也會存在一些壞塊(bad blocks)。有時進(jìn)行低級格式化后，壞塊會被檢測出來并進(jìn)行標(biāo)記，這種情況的解決辦法是用磁盤末尾的一些空閑塊所替換。
然而，一些塊在格式化后會變壞，在這種情況下操作系統(tǒng)可以檢測到它們。通常情況下，它可以通過創(chuàng)建一個由所有壞塊組成的文件來解決問題，確保它們不會出現(xiàn)在空閑池中并且永遠(yuǎn)不會被分配。那么此文件是完全不可讀的。如果磁盤控制器將所有的壞塊重新映射，物理轉(zhuǎn)儲還是能夠正常工作的。
Windows 系統(tǒng)有分頁文件(paging files) 和 休眠文件(hibernation files) 。它們在文件還原時不發(fā)揮作用，同時也不應(yīng)該在第一時間進(jìn)行備份。
物理轉(zhuǎn)儲的主要優(yōu)點是簡單、極為快速（基本上是以磁盤的速度運行），缺點是全量備份，不能跳過指定目錄，也不能增量轉(zhuǎn)儲，也不能恢復(fù)個人文件的請求。因此句大多數(shù)情況下不會使用物理轉(zhuǎn)儲，而使用邏輯轉(zhuǎn)儲。
邏輯轉(zhuǎn)儲(logical dump)從一個或幾個指定的目錄開始，遞歸轉(zhuǎn)儲自指定日期開始后更改的文件和目錄。因此，在邏輯轉(zhuǎn)儲中，轉(zhuǎn)儲磁盤上有一系列經(jīng)過仔細(xì)識別的目錄和文件，這使得根據(jù)請求輕松還原特定文件或目錄。
既然邏輯轉(zhuǎn)儲是最常用的方式，那么下面就讓我們研究一下邏輯轉(zhuǎn)儲的通用算法。此算法在 UNIX 系統(tǒng)上廣為使用，如下圖所示
待轉(zhuǎn)儲的文件系統(tǒng)，其中方框代表目錄，圓圈代表文件。黃色的項目表是自上次轉(zhuǎn)儲以來修改過。每個目錄和文件都被標(biāo)上其 inode 號。
此算法會轉(zhuǎn)儲位于修改文件或目錄路徑上的所有目錄（也包括未修改的目錄），原因有兩個。第一是能夠在不同電腦的文件系統(tǒng)中恢復(fù)轉(zhuǎn)儲的文件。通過這種方式，轉(zhuǎn)儲和重新存儲的程序能夠用來在兩個電腦之間傳輸整個文件系統(tǒng)。第二個原因是能夠?qū)蝹€文件進(jìn)行增量恢復(fù)。
邏輯轉(zhuǎn)儲算法需要維持一個 inode 為索引的位圖(bitmap)，每個 inode 包含了幾位。隨著算法的進(jìn)行，位圖中的這些位會被設(shè)置或清除。算法的執(zhí)行分成四個階段。第一階段從起始目錄（本例為根目錄）開始檢查其中所有的目錄項。對每一個修改過的文件，該算法將在位圖中標(biāo)記其 inode。算法還會標(biāo)記并遞歸檢查每一個目錄（不管是否修改過）。
在第一階段結(jié)束時，所有修改過的文件和全部目錄都在位圖中標(biāo)記了，如下圖所示
理論上來說，第二階段再次遞歸遍歷目錄樹，并去掉目錄樹中任何不包含被修改過的文件或目錄的標(biāo)記。本階段執(zhí)行的結(jié)果如下
注意，inode 編號為 10、11、14、27、29 和 30 的目錄已經(jīng)被去掉了標(biāo)記，因為它們所包含的內(nèi)容沒有修改。它們也不會轉(zhuǎn)儲。相反，inode 編號為 5 和 6 的目錄本身盡管沒有被修改過也要被轉(zhuǎn)儲，因為在新的機器上恢復(fù)當(dāng)日的修改時需要這些信息。為了提高算法效率，可以將這兩階段的目錄樹遍歷合二為一。
現(xiàn)在已經(jīng)知道了哪些目錄和文件必須被轉(zhuǎn)儲了，這就是上圖 b 中標(biāo)記的內(nèi)容，第三階段算法將以節(jié)點號為序，掃描這些 inode 并轉(zhuǎn)儲所有標(biāo)記為需轉(zhuǎn)儲的目錄，如下圖所示
為了進(jìn)行恢復(fù)，每個被轉(zhuǎn)儲的目錄都用目錄的屬性（所有者、時間）作為前綴。
最后，在第四階段，上圖中被標(biāo)記的文件也被轉(zhuǎn)儲，同樣，由其文件屬性作為前綴。至此，轉(zhuǎn)儲結(jié)束。
從轉(zhuǎn)儲磁盤上還原文件系統(tǒng)非常簡單。一開始，需要在磁盤上創(chuàng)建空文件系統(tǒng)。然后恢復(fù)最近一次的完整轉(zhuǎn)儲。由于磁帶上最先出現(xiàn)目錄，所以首先恢復(fù)目錄，給出文件系統(tǒng)的框架(skeleton)，然后恢復(fù)文件系統(tǒng)本身。在完整存儲之后是第一次增量存儲，然后是第二次重復(fù)這一過程，以此類推。
盡管邏輯存儲十分簡單，但是也會有一些棘手的問題。首先，既然空閑塊列表并不是一個文件，那么在所有被轉(zhuǎn)儲的文件恢復(fù)完畢之后，就需要從零開始重新構(gòu)造。
另外一個問題是關(guān)于鏈接。如果文件鏈接了兩個或者多個目錄，而文件只能還原一次，那么并且所有指向該文件的目錄都必須還原。
還有一個問題是，UNIX 文件實際上包含了許多 空洞(holes)。打開文件，寫幾個字節(jié)，然后找到文件中偏移了一定距離的地址，又寫入更多的字節(jié)，這么做是合法的。但兩者之間的這些塊并不屬于文件本身，從而也不應(yīng)該在其上進(jìn)行文件轉(zhuǎn)儲和恢復(fù)。
最后，無論屬于哪一個目錄，特殊文件，命名管道以及類似的文件都不應(yīng)該被轉(zhuǎn)儲。
影響可靠性的一個因素是文件系統(tǒng)的一致性。許多文件系統(tǒng)讀取磁盤塊、修改磁盤塊、再把它們寫回磁盤。如果系統(tǒng)在所有塊寫入之前崩潰，文件系統(tǒng)就會處于一種不一致(inconsistent)的狀態(tài)。如果某些尚未寫回的塊是索引節(jié)點塊，目錄塊或包含空閑列表的塊，則此問題是很嚴(yán)重的。
為了處理文件系統(tǒng)一致性問題，大部分計算機都會有應(yīng)用程序來檢查文件系統(tǒng)的一致性。例如，UNIX 有 fsck；Windows 有 sfc，每當(dāng)引導(dǎo)系統(tǒng)時（尤其是在崩潰后），都可以運行該程序。
可以進(jìn)行兩種一致性檢查：塊的一致性檢查和文件的一致性檢查。為了檢查塊的一致性，應(yīng)用程序會建立兩張表，每個包含一個計數(shù)器的塊，最初設(shè)置為 0 。第一個表中的計數(shù)器跟蹤該塊在文件中出現(xiàn)的次數(shù)，第二張表中的計數(shù)器記錄每個塊在空閑列表、空閑位圖中出現(xiàn)的頻率。
然后檢驗程序使用原始設(shè)備讀取所有的 inode，忽略文件的結(jié)構(gòu)，只返回從零開始的所有磁盤塊。從 inode 開始，很容易找到文件中的塊數(shù)量。每當(dāng)讀取一個塊時，該塊在第一個表中的計數(shù)器 + 1，應(yīng)用程序會檢查空閑塊或者位圖來找到?jīng)]有使用的塊。空閑列表中塊的每次出現(xiàn)都會導(dǎo)致其在第二表中的計數(shù)器增加。
如果文件系統(tǒng)一致，則每一個塊或者在第一個表計數(shù)器為 1，或者在第二個表計數(shù)器中為 1，如下圖所示
但是當(dāng)系統(tǒng)崩潰后，這兩張表可能如下所示
其中，磁盤塊 2 沒有出現(xiàn)在任何一張表中，這稱為 塊丟失(missing block)。盡管塊丟失不會造成實際的損害，但它的確浪費了磁盤空間，減少了磁盤容量。塊丟失的問題很容易解決，文件系統(tǒng)檢驗程序把他們加到空閑表中即可。
有可能出現(xiàn)的另外一種情況如下所示
其中，塊 4 在空閑表中出現(xiàn)了 2 次。這種解決方法也很簡單，只要重新建立空閑表即可。
最糟糕的情況是在兩個或者多個文件中出現(xiàn)同一個數(shù)據(jù)塊，如下所示
比如上圖的磁盤塊 5，如果其中一個文件被刪除，塊 5 會被添加到空閑表中，導(dǎo)致一個塊同時處于使用和空閑的兩種狀態(tài)。如果刪除這兩個文件，那么在空閑表中這個磁盤塊會出現(xiàn)兩次。
文件系統(tǒng)檢驗程序采取的處理方法是，先分配一磁盤塊，把塊 5 中的內(nèi)容復(fù)制到空閑塊中，然后把它插入到其中一個文件中。這樣文件的內(nèi)容未改變，雖然這些內(nèi)容可以肯定是不對的，但至少保證了文件的一致性。這一錯誤應(yīng)該報告給用戶，由用戶檢查受檢情況。
除了檢查每個磁盤塊計數(shù)的正確性之外，文件系統(tǒng)還會檢查目錄系統(tǒng)。這時候會用到一張計數(shù)器表，但這時是一個文件（而不是一個塊）對應(yīng)于一個計數(shù)器。程序從根目錄開始檢驗，沿著目錄樹向下查找，檢查文件系統(tǒng)的每個目錄。對每個目錄中的文件，使其計數(shù) + 1。
注意，由于存在硬連接，一個文件可能出現(xiàn)在兩個或多個目錄中。而遇到符號鏈接是不計數(shù)的，不會對目標(biāo)文件的計數(shù)器 + 1。
在檢驗程序完成后，會得到一張由 inode 索引的表，說明每個文件和目錄的包含關(guān)系。檢驗程序會將這些數(shù)字與存儲在文件 inode 中的鏈接數(shù)目做對比。如果 inode 節(jié)點的鏈接計數(shù)大戶目錄項個數(shù)，這時即使所有文件從目錄中刪除，這個計數(shù)仍然不是 0 ，inode 不會被刪除。這種錯誤不嚴(yán)重，卻因為存在不屬于任何目錄的文件而浪費了磁盤空間。
另一種錯誤則是潛在的風(fēng)險。如果同一個文件鏈接兩個目錄項，但是 inode 鏈接計數(shù)只為 1，如果刪除了任何一個目錄項，對應(yīng) inode 鏈接計數(shù)變?yōu)?0。當(dāng) inode 計數(shù)為 0 時，文件系統(tǒng)標(biāo)志 inode 為 未使用，并釋放全部的塊。這會導(dǎo)致其中一個目錄指向一未使用的 inode，而很有可能其塊馬上就被分配給其他文件。
訪問磁盤的效率要比內(nèi)存滿的多，是時候又祭出這張圖了
從內(nèi)存讀一個 32 位字大概是 10ns，從硬盤上讀的速率大概是 100MB/S，對每個 32 位字來說，效率會慢了四倍，另外，還要加上 5 - 10 ms 的尋道時間等其他損耗，如果只訪問一個字，內(nèi)存要比磁盤快百萬數(shù)量級。所以磁盤優(yōu)化是很有必要的，下面我們會討論幾種優(yōu)化方式
最常用的減少磁盤訪問次數(shù)的技術(shù)是使用 塊高速緩存(block cache) 或者 緩沖區(qū)高速緩存(buffer cache)。高速緩存指的是一系列的塊，它們在邏輯上屬于磁盤，但實際上基于性能的考慮被保存在內(nèi)存中。
管理高速緩存有不同的算法，常用的算法是：檢查全部的讀請求，查看在高速緩存中是否有所需要的塊。如果存在，可執(zhí)行讀操作而無須訪問磁盤。如果檢查塊不再高速緩存中，那么首先把它讀入高速緩存，再復(fù)制到所需的地方。之后，對同一個塊的請求都通過高速緩存來完成。
高速緩存的操作如下圖所示
由于在高速緩存中有許多塊，所以需要某種方法快速確定所需的塊是否存在。常用方法是將設(shè)備和磁盤地址進(jìn)行散列操作，然后，在散列表中查找結(jié)果。具有相同散列值的塊在一個鏈表中連接在一起（這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是不是很像 HashMap?），這樣就可以沿著沖突鏈查找其他塊。
如果高速緩存已滿，此時需要調(diào)入新的塊，則要把原來的某一塊調(diào)出高速緩存，如果要調(diào)出的塊在上次調(diào)入后已經(jīng)被修改過，則需要把它寫回磁盤。這種情況與分頁非常相似，所有常用的頁面置換算法我們之前已經(jīng)介紹過，如果有不熟悉的小伙伴可以參考 比如 FIFO 算法、第二次機會算法、LRU 算法、時鐘算法、老化算法等。它們都適用于高速緩存。
第二個明顯提高文件系統(tǒng)的性能是，在需要用到塊之前，試圖提前將其寫入高速緩存，從而提高命中率。許多文件都是順序讀取。如果請求文件系統(tǒng)在某個文件中生成塊 k，文件系統(tǒng)執(zhí)行相關(guān)操作并且在完成之后，會檢查高速緩存，以便確定塊 k + 1 是否已經(jīng)在高速緩存。如果不在，文件系統(tǒng)會為 k + 1 安排一個預(yù)讀取，因為文件希望在用到該塊的時候能夠直接從高速緩存中讀取。
當(dāng)然，塊提前讀取策略只適用于實際順序讀取的文件。對隨機訪問的文件，提前讀絲毫不起作用。甚至還會造成阻礙。
高速緩存和塊提前讀并不是提高文件系統(tǒng)性能的唯一方法。另一種重要的技術(shù)是把有可能順序訪問的塊放在一起，當(dāng)然最好是在同一個柱面上，從而減少磁盤臂的移動次數(shù)。當(dāng)寫一個輸出文件時，文件系統(tǒng)就必須按照要求一次一次地分配磁盤塊。如果用位圖來記錄空閑塊，并且整個位圖在內(nèi)存中，那么選擇與前一塊最近的空閑塊是很容易的。如果用空閑表，并且鏈表的一部分存在磁盤上，要分配緊鄰的空閑塊就會困難很多。
不過，即使采用空閑表，也可以使用 塊簇 技術(shù)。即不用塊而用連續(xù)塊簇來跟蹤磁盤存儲區(qū)。如果一個扇區(qū)有 512 個字節(jié)，有可能系統(tǒng)采用 1 KB 的塊（2 個扇區(qū)），但卻按每 2 塊（4 個扇區(qū)）一個單位來分配磁盤存儲區(qū)。這和 2 KB 的磁盤塊并不相同，因為在高速緩存中它仍然使用 1 KB 的塊，磁盤與內(nèi)存數(shù)據(jù)之間傳送也是以 1 KB 進(jìn)行，但在一個空閑的系統(tǒng)上順序讀取這些文件，尋道的次數(shù)可以減少一半，從而使文件系統(tǒng)的性能大大改善。若考慮旋轉(zhuǎn)定位則可以得到這類方法的變體。在分配塊時，系統(tǒng)盡量把一個文件中的連續(xù)塊存放在同一個柱面上。
在使用 inode 或任何類似 inode 的系統(tǒng)中，另一個性能瓶頸是，讀取一個很短的文件也需要兩次磁盤訪問：一次是訪問 inode，一次是訪問塊。通常情況下，inode 的放置如下圖所示
其中，全部 inode 放在靠近磁盤開始位置，所以 inode 和它所指向的塊之間的平均距離是柱面組的一半，這將會需要較長時間的尋道時間。
一個簡單的改進(jìn)方法是，在磁盤中部而不是開始處存放 inode ，此時，在 inode 和第一個塊之間的尋道時間減為原來的一半。另一種做法是：將磁盤分成多個柱面組，每個柱面組有自己的 inode，數(shù)據(jù)塊和空閑表，如上圖 b 所示。
當(dāng)然，只有在磁盤中裝有磁盤臂的情況下，討論尋道時間和旋轉(zhuǎn)時間才是有意義的。現(xiàn)在越來越多的電腦使用 固態(tài)硬盤(SSD)，對于這些硬盤，由于采用了和閃存同樣的制造技術(shù)，使得隨機訪問和順序訪問在傳輸速度上已經(jīng)較為相近，傳統(tǒng)硬盤的許多問題就消失了。但是也引發(fā)了新的問題。
在初始安裝操作系統(tǒng)后，文件就會被不斷的創(chuàng)建和清除，于是磁盤會產(chǎn)生很多的碎片，在創(chuàng)建一個文件時，它使用的塊會散布在整個磁盤上，降低性能。刪除文件后，回收磁盤塊，可能會造成空穴。
磁盤性能可以通過如下方式恢復(fù)：移動文件使它們相互挨著，并把所有的至少是大部分的空閑空間放在一個或多個大的連續(xù)區(qū)域內(nèi)。Windows 有一個程序 defrag 就是做這個事兒的。Windows 用戶會經(jīng)常使用它，SSD 除外。
磁盤碎片整理程序會在讓文件系統(tǒng)上很好地運行。Linux 文件系統(tǒng)（特別是 ext2 和 ext3）由于其選擇磁盤塊的方式，在磁盤碎片整理上一般不會像 Windows 一樣困難，因此很少需要手動的磁盤碎片整理。而且，固態(tài)硬盤并不受磁盤碎片的影響，事實上，在固態(tài)硬盤上做磁盤碎片整理反倒是多此一舉，不僅沒有提高性能，反而磨損了固態(tài)硬盤。所以碎片整理只會縮短固態(tài)硬盤的壽命。
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相關(guān)參考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/41358013
https://www.linuxtoday.com/blog/what-is-an-inode.html
https://www.lifewire.com/what-is-fragmentation-defragmentation-2625884
https://www.geeksforgeeks.org/free-space-management-in-operating-system/
https://sites.ualberta.ca/dept/chemeng/AIX-43/share/man/info/C/a_doc_lib/aixprggd/genprogc/fsyslayout.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Disk_partitioning
https://en.wikipedia.org/wiki/Master_boot_record
https://en.wikipedia.org/wiki/Booting
https://www.computerhope.com/jargon/f/fileprot.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/File_attribute
https://en.wikipedia.org/wiki/Make_(software)
https://unix.stackexchange.com/questions/60034/what-are-character-special-and-block-special-files-in-a-unix-system
https://www.computerhope.com/jargon/d/director.htm
https://www.computerhope.com/jargon/r/regular-file.htm
https://baike.baidu.com/item/固態(tài)硬盤/453510?fr=aladdin
《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》第四版
《Modern Operation System》fourth
孝端皇后鳳冠，明定陵出土，現(xiàn)藏中國國家博物館。資料圖片
明衍圣公香色麻飛魚貼里，現(xiàn)藏山東博物館。資料圖片
云錦織物（《九龍圖》），南京云錦博物館館藏品。資料圖片
北京定陵出土的“紅緙絲十二章福壽如意袞服”（復(fù)制品），現(xiàn)藏北京明十三陵博物館。資料圖片
明衍圣公大紅色暗花紗綴繡云鶴方補袍，山東博物館藏。資料圖片
夏燕靖
今天我們講座的主題是明朝的服飾以及史話趣聞。
關(guān)于明朝服飾的話題，近年來由于相關(guān)影視作品不斷推出，越來越受到社會的關(guān)注，同時也有更多的博物館展出相關(guān)歷史藏品。比如，2020年9月山東博物館和曲阜孔子博物館聯(lián)合舉辦的“衣冠大成——明代服飾文化展”，精選了有代表性的明朝服飾展出，為觀眾呈現(xiàn)獨具魅力的大明風(fēng)華。又如，2020年年末至2021年年初，南京市博物總館與南京博物院、故宮博物院、國家圖書館、首都圖書館、北京明十三陵博物館、南京明孝陵博物館、南京城墻博物館和南京大報恩寺遺址博物館等多家博物館聯(lián)合舉辦“1420：從南京到北京”特展，圍繞朱元璋和朱棣在位期間的重大歷史事件展開，分為“洪武肇基”“永樂開拓”“國祚綿延”三個單元。在明初特定的歷史背景下，力圖再現(xiàn)歷史人物和歷史遺跡，將南京與北京在明朝的特殊關(guān)系還原在公眾視野中。比較可惜的是，這項特展沒有安排服飾專題，從某種程度上來說，今天的這個講座可算是因這項大展而生的一次接續(xù)話題。
從歷史上來看，明朝服飾有其自身特點。明太祖朱元璋要求服飾“上承周漢，下取唐宋”，依此制定了明朝服飾制度。如《明史·輿服志》記載的相關(guān)服飾制度條例，僅在洪武年間的三十年中，就頒布有數(shù)百項極為細(xì)致的規(guī)定，從帝后將相到庶民百姓，囊括了社會各個階層各類人等，甚至細(xì)致到服飾式樣、衣料與圖案花色。朱元璋還親自參與編訂服飾條例，明確衣服及至冠履、首飾等類穿戴要求，無所不及，可謂細(xì)密而具體。
例如，郎瑛《七修類稿》中就有記載：洪武二十三年（1390）三月，朱元璋召見禮部尚書李源名等人，討論臣民的衣著袖子長短問題，竟然議論了數(shù)月，最后議決規(guī)定：文官“袖長過手，復(fù)回至肘”“袖口九寸”，所穿袍服長短“去地一寸”，庶民袖長則是“過手，復(fù)回不及肘三寸”“衣長去地五寸”等等。在明史中還有更為詳細(xì)的記述，如洪武三十年（1397），朱元璋甚至關(guān)心起庶民百姓的鞋子款式，專門規(guī)定庶人不許穿靴，只有北方苦寒之地可適當(dāng)寬松。由此可見，明朝服飾雖說看起來十分華美，但等級劃分也是極為嚴(yán)苛，這與整個明朝規(guī)制有關(guān)，在《大明律》中也有體現(xiàn)。
“龍袍”、香色麻飛魚貼里及皇后禮服
《明實錄·太祖實錄》載，洪武三年（1370）明太祖詔考?xì)v代服色所尚，禮部奏呈：“歷代異尚，夏尚黑，商尚白，周尚赤，秦尚黑，漢尚赤，唐服飾尚黃、旗幟尚赤，宋亦尚赤。今國家承元之后，取法周、漢、唐、宋以為治，服色所尚，于赤為宜。”此奏獲明太祖認(rèn)可，并要求依從。諸如，制定皇帝禮服，定尊為“祭天地、宗廟，服袞冕；社稷等祀，服通天冠，絳紗袍。余不用?！保ā睹魇贰ぽ浄尽罚┲贫ɑ始叶Y服，自然是從冕服和袞冕服開始，這便有了繼承周秦漢唐的通天冠、皮弁服、武弁服和常服等等。現(xiàn)存這類明朝皇家禮服，大約要屬北京明十三陵博物館中的明朝“龍袍”最具代表性。配圖中的“龍袍”是20世紀(jì)50年代南京云錦研究所耗時兩年多復(fù)制完成的九件明定陵出土絲織品中的兩件之一。
這兩件復(fù)制的“龍袍”，是明朝皇帝出席大典時穿著的“正裝”，在明朝社會語境中我們應(yīng)該稱其為“袞服”，即天子禮服。顏色一黃一紅，學(xué)名分別是“黃緙絲十二章福壽如意袞服”和“紅緙絲十二章福壽如意袞服”。這類袞服為什么都繡有“十二章紋”呢？這是自西周沿襲而來的帝王袞服制所致。早在《尚書·益稷》就有記載：“予欲觀古人之象，日、月、星辰、山、龍、華蟲，作會(繪)；宗彝、藻、火、粉米、黼、黻，絺繡，以五采彰施于五色，作服。”明確了“十二章紋”是周天子的專用禮服紋飾，明朝繼承了“十二章紋”規(guī)制。明洪武十六年（1383），明文規(guī)定了章服之制：皇帝袞服“玄衣黃裳，十二章。日、月、星辰、山、龍、華蟲六章織于衣，宗彝、藻、火、粉米、黼、黻六章繡于裳”。如是，繡有“十二章紋”的袞服被視為帝王權(quán)威的象征。而我們所見由南京云錦研究所修復(fù)的袞服呈袍服樣式，正面居中為團(tuán)龍紋飾。故此，后世戲稱之為“龍袍”，袍上依然排布繡有對稱式“十二章紋”中的藻與粉米，黼與黻等，以體現(xiàn)天人和諧、中庸之道的審美追求。當(dāng)然，更是表示帝王所承江山社稷祖制之責(zé)的種種規(guī)約。
關(guān)于龍紋式樣，直至明朝，“龍”的造型在服飾上經(jīng)歷了無數(shù)次演變，明朝成為皇權(quán)專用且繡工講究的裝飾紋樣，表現(xiàn)手法上有更多的細(xì)節(jié)化處理。古人歷代相傳，龍乃神異之獸，為百鱗之長，有著威嚴(yán)與祥瑞的寓意化身。明朝龍紋表現(xiàn)得十分夸張，身如蛇身鱗紋滿布、角如鹿角兩邊擴(kuò)展、眼如蝦眼目視貫穿、鼻如獅鼻圓潤端方、嘴如驢唇口闊且深、耳如貓耳精細(xì)靈敏、爪如鷹爪鋸牙鋒利，龍之尾更講究裝飾，有云紋裝飾，有火焰紋裝飾。而且，明朝對于龍紋還有許多特別的規(guī)制，如團(tuán)龍中間列有行龍、云龍、團(tuán)龍、正龍等。到了晚明還出現(xiàn)三眼龍，甚至帝王常服的對襟、窄衫上都繡有許多龍紋裝飾。有意思的是，在山東博物館藏有國內(nèi)現(xiàn)存最完整的一套明朝官吏的朝服實物，如大紅色暗花紗方補圓領(lǐng)衫、香色麻飛魚貼里等珍貴服飾。其中名為“明衍圣公香色麻飛魚貼里”的藏品，繡有四足（四爪）飛魚紋樣，且配飾有“腰線”。腰線乃是上衣與下裳的縫綴連接，使得衣飾有一個完滿的身形。有觀點認(rèn)為，“香色麻飛魚貼里”這個名稱，還有一個俗稱，叫作“曳撤”，乃是傳統(tǒng)服飾的另類稱謂。據(jù)說讀音是從蒙古語而來，在蒙古語中又叫“質(zhì)孫”，本是蒙古袍。這樣的服飾作為明朝帝王的常服，實屬罕見。其樣式為上身緊衣寬袖，腰間有褶皺堆積，使得腰部以下兩邊有細(xì)紋裝飾。考察來看，這是典型的明朝官員燕居服，是對蒙古袍“質(zhì)孫服”的一種時尚追崇。以“曳撤”名目查考，蒙古語為“華麗”之意。似乎因為追崇時髦的緣故，當(dāng)時也就顧不上廢元朝服制的避諱之事了，算是一項別例。
皇后服飾，則以北京故宮南薰殿舊藏歷代帝后圖像中明朝皇后像為參考，可以見識到頭戴鳳冠、面施珠花、服黻領(lǐng)中單、翟衣、霞帔、大衫、襖子等明朝皇后的禮服與常服裝束。其中，常服的基本款式大多仿自唐宋，款式一般為右衽。至于冠飾，這是明朝皇后極為重視的配套首服，如禮服鳳冠是以漆竹絲網(wǎng)為胎，上綴點翠龍鳳，并掛有珠寶流蘇，而搭配常服的燕居冠裝飾則略簡，通常以罩住發(fā)髻為宜。除此之外，明朝命婦冠飾還有兩類形式：一種是后妃所戴，冠上以鳳凰點綴，并配有龍及其他裝飾；另一種是普通命婦所戴的翟冠。不同之處在于翟冠上是不能點綴龍鳳的，而是以珠翟、花儀作為裝飾，但習(xí)慣上也稱為鳳冠。在《明會典·皇后冠服》中，記載有明皇后的“九龍四鳳冠”，曰：“九龍四鳳冠，漆竹絲為圓匡，冒以翡翠。上飾翠龍九、金鳳四，正中一龍銜大珠一，上有翠蓋，下垂珠結(jié)，余皆口銜珠滴……托里金口圈一副。”1957年在明定陵（即明神宗萬歷皇帝陵寢）出土孝端顯皇后“九龍九鳳冠”可作印證，這頂鳳冠的結(jié)構(gòu)從正面上看分為三層，第一層裝飾著九條金龍，第二層是八只翠鳳，第三層則是九樹大珠花，且每樹珠花都是以三塊紅藍(lán)寶石裝飾，再在四周以珍珠串聯(lián)點綴，背面上部還有一只站立的翠鳳。最為精彩的是，龍鳳口中都飾以珍珠與紅藍(lán)寶石穿成的珠滴，共計有四十四片翠云。鳳冠頂部用寶石和串珠串成一排花卉，后下方則有兩個金钑龍吞口，博鬢左右共六扇。
此外，皇后又與普通女性服飾一樣講究配飾，主要有衫、襖、霞帔、背子、比甲及裙子等多重組合。其中，霞帔是出現(xiàn)在南北朝時期的一種形似彩練的帔子，因隋唐以后被贊美如彩霞而得名，它繞過頭頸，披掛在女性的胸前，下部裝飾以一顆金玉墜子。在白居易《霓裳羽衣舞歌》中，就有“虹裳霞帔步搖冠”的詩句，到了宋代及至明清用作禮服，并隨著品級的高低在刺繡紋樣上有所不同。例如，定陵出土的“金累絲珍珠霞帔”上繡有龍紋，點綴珍珠金飾就達(dá)412個。
明朝服飾與“衣冠禽獸”的褒貶轉(zhuǎn)義
成語“衣冠禽獸”源自明朝官服制度。
起初，“衣冠禽獸”實為褒揚性贊語，頗有羨慕、贊許之意，用來指代官員身份和地位。在明朝官服制度中，“補服”極具代表性，所謂“補服”，亦稱“背胸”或“胸背”，是指官服的前胸和后背分別飾有一塊方形織繡圖案，用來區(qū)分官爵等級，其淵源似與武則天以袍紋定品級有關(guān)?！短接[》卷六九二引《唐書》記載：“武后出緋紫單羅銘襟背袍，以賜文武臣，其袍文各有恦?！紫囡椧燥L(fēng)池，尚書飾以對雁，左右衛(wèi)將軍飾麒麟，左右武衛(wèi)飾以對虎?！泵鞒乐贫鴱娀?，對朝臣服色及配飾圖案作出更加具體而嚴(yán)格的規(guī)定，這就有了前胸及后背上用金線和彩絲繡成的“補子”。通常文官繡鳥，武官繡獸。各品補子紋樣，均有規(guī)定：“我朝定制，品官各有花樣?！奈湟黄分辆牌罚杂袘?yīng)服花樣，文官用飛鳥，象其文采也，武官用走獸，象其猛鷙也?！保髑鹂！洞髮W(xué)衍義補》卷九十八）如是所言，“衣冠禽獸”本來是對明朝官服即文官服繡禽、武官服繪獸的描寫和稱贊。明初，對這種文禽武獸的花樣補子官服的稱謂，其實還有一句與“衣冠禽獸”對稱的溢美之詞，叫作“祥禽瑞獸”。比如，曲阜孔子博物館舊藏有明朝官吏朝服和公服，其藏品中有一款叫作“衍圣公大紅色暗花紗綴繡云鶴方補袍”。其前胸和后背又各綴一塊方補，補子上繡有一單鶴，有“一品鳥”之稱，象征一品當(dāng)朝，此屬文官服飾之首。另外，鶴的形象，也暗喻君子，有提醒官員注重品行、潔身自好之意。
不過，到了明中晚期，由于宦官專權(quán)、腐敗滋生，出現(xiàn)了文恬武嬉的局面，“文死諫，武死戰(zhàn)”的為官從政理念，被貪官佞臣不斷沖擊甚至顛覆。在此情形下，當(dāng)時又流傳開許多與服飾規(guī)制相悖的說辭，“衣冠禽獸”在這一時期逐步演變?yōu)橘H義。明末陳汝元所著《金蓮記·構(gòu)釁》即用其來比喻品德敗壞之人，謂之“文物穿窬，道貌岸然如禽獸”，這“穿窬”一語本是形容翻墻頭或者鉆墻洞的盜竊行為，即代指這類盜竊賊。而在明朝之前，人們喻稱行為卑劣之人，則有另外一個說辭，叫作“衣冠梟獍”。這“梟”是傳說中一種惡鳥；“獍”是傳說中一種惡獸，將兩者連用，自然就是指惡劣之意。到了清代，“衣冠禽獸”一語使用頻率越來越高，表明民眾對官場腐敗的不滿和痛恨，久而久之，“衣冠梟獍”之貶義已然不夠擊中痛點，因而逐漸退出了歷史舞臺，被貶義化的“衣冠禽獸”取而代之。
明朝的衣料與服色
對衣物的選料極為嚴(yán)苛，是明朝服飾等級的重要特點之一。明朝對穿著衣料有明文要求。比如，規(guī)定庶民百姓不能穿金繡、綺、纻絲、綾羅面料的服飾，只能穿綢、絹、素紗制成的衣飾。并且，百姓不準(zhǔn)穿靴，這是特許有身份官員穿著的鞋飾。庶民百姓主要以素絹、葛布作為服裝面料，因為這些衣料多為自己紡織的。另外，農(nóng)夫可戴斗笠、蒲笠等入市井，還規(guī)定老農(nóng)衣制袖長要過手，庶人衣物離地五寸，袖長過手六寸?？傮w來說，在明朝對老百姓的穿著衣飾有很多特別的限制。不過在《明史·輿服志》中亦有記載，明初庶人結(jié)婚，準(zhǔn)許用假九品服飾。洪武三年（1370），庶人戴帽規(guī)定有所松動，初戴四帶巾，后改四方平巾，就是帽檐上四四方方。又規(guī)定不得用黃色，男女衣服不得用金繡、錦繡等等，不得用金玉、瑪瑙、珊瑚琥珀等。
明朝帝后服飾，以及文武官員的衣料，雖說有嚴(yán)格的等級區(qū)分，但衣料十分講究，大多是紗、羅、絹、綢，還選用妝花織物和織金織物來作衣飾配料，這就是“云錦”織物。云錦因其色澤美如天上云霞而得名，是在繼承和融匯歷代織錦的優(yōu)秀傳統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，達(dá)到了絲織工藝的巔峰狀態(tài)，又被譽為“錦中之冠”。這些衣料組織結(jié)構(gòu)不同，觀感也就不同，觸感更有差異。尤其是帝王帝后及嬪妃們選用的絲綿、綾羅、絹、緙絲面料，如果用手輕輕撫摸，便能夠辨別出不同的絲織品質(zhì)，因為織料的組織結(jié)構(gòu)完全不同。
此外，服色的使用方面也受到制度的制約，如《明實錄》記載，明朝服飾尚赤色，因為朱元璋的“朱”姓就是紅色。另外，明朝皇室的這個紅色還有自己的講究：在甲骨文中“赤”的構(gòu)型就是上面一個大字、下面一個“火”字，基本意思就是人在大火邊舞蹈、映照得通紅滿身?！墩f文解字》有曰，以五行理論假說：“赤從大，從火，南方色也。”所以紅色相配。推及而論，古代傳統(tǒng)文化中對紅色有特別的信仰，明朝的習(xí)俗起到了非常大的作用。
另外值得注意的是，明朝男子的便服多為大襟、右衽、寬袖、下長過膝的袍衫，貴族男子多穿綢緞制成的衣物，有時也著織錦緞，紋樣多帶有吉祥寓意，比較常見的有團(tuán)云、蝙蝠，嵌一團(tuán)型的“壽”字，意為“五蝠捧壽”。明末清初非常流行這種形式的紋樣，不僅在服飾上可以見到，而且也見于其他的器物裝飾，甚至建筑彩繪上。女子服飾有衫、襖、霞帔、比甲、裙子等，命婦服飾由鳳冠、霞帔大袖等組成。明朝女子的衣、裙講究修長，同樣也極富變化，上邊有緙絲、畫裙、插袖、堆紗大紅綠繡花等裝飾。至于襦裙，上襦下裙，這是唐代服飾的一種主要形式，到了明朝仍然占有一定比例，上襦為交領(lǐng)，就是兩邊斜叉。衣袖則為一種短衣，裙的顏色各式各樣，比較淺淡。上面有暗紋織繡，但并不明顯。至崇禎初年，女子裙裝則多為素白，即使有刺繡紋樣，也是在裙幅下擺一兩寸的位置做一些裝飾。關(guān)于裙幅之美，唐朝李群玉有詩云：“裙拖六幅湘江水”，到了明朝，這種裙子的花色之美進(jìn)一步表露出來。
服飾交往：“賜服”與“請服”
歷史上的明朝服飾，直到今天依舊在整個東北亞社會生活中有著廣泛的影響。
明初的“大明衣冠”服飾改革，迅速進(jìn)入朝鮮半島的士大夫視野。根據(jù)史料記載，明太祖朱元璋即位之初，即高麗恭愍王十九年（1370）五月，明太祖便派遣使臣賜璽書冊封高麗王，次年高麗王朝貢方物并“請服”，在官服上使用明朝規(guī)制，朝鮮官服除朝服外，又分為時服和常服兩種。這就是歷史上周邊藩屬國與中原王朝之間形成的“賜服”關(guān)系。由此，中原王朝逐步形成了向周邊藩屬國“賜服”的風(fēng)氣，以表示自己的衣冠制度和文化“澤被四方”，而周邊藩屬國在當(dāng)時也被視為處于“天朝禮治體系規(guī)范”之中。
在當(dāng)時，明朝周邊的藩屬國受到明朝風(fēng)俗文化、服飾制度的影響。
除朝鮮以外，明朝還曾向前來朝貢的日本、琉球、安南、暹羅、浡泥國、米昔等國賜服。在日本宮內(nèi)廳書陵部收藏的《萬歷皇帝敕諭》中即有記載：“封爾平秀吉為日本國王，錫以金印，加以冠服。”文末且附有明朝廷賜予豐臣秀吉的冠服等織品的目錄。《明史·列傳》中則記載安南與明朝的賜服外交史跡?！睹魇贰ぽ浄尽分幸蔡岬剑骸叭荒辏n琉球國王并其臣下冠服。永樂中，賜琉球中山王皮弁，玉圭，麟袍，犀帶，視二品秩?！痹诋?dāng)時，這些藩屬國在接受明朝賜服后，上行下效，對本國民族服飾的面貌產(chǎn)生了一些影響，如浡泥國“自王以下衣服之制如中國，女服從其本俗”（《明太宗實錄》卷八三，永樂六年九月丙午朔條）。
結(jié) 語
按照時下網(wǎng)絡(luò)流行語的說法，如今我們或可透過博物館里的明朝服飾藏品窺其一斑，“穿越回明朝”。當(dāng)然在事實上，歷史是難以穿越的。明朝歷時近三百年，其間所留下的史籍墨稿，大大超越漢代簡策與唐人卷軸，可說是汗牛充棟，浩瀚復(fù)雜。況且，明朝史料還有國史實錄，有野史稗乘，有家史刻本，更有豐富多彩的文人筆記，即便如此，這些資料中記載的明朝服飾種種，也只能說是一個相對具體的文獻(xiàn)記載形態(tài)，也只能是反映服飾面貌與文化形態(tài)的零散片段。
故而，雖然我們今天的講述力求有實有據(jù)，然而歷史上仍舊存在著很多不能解釋的情況。由此來看，雖然“穿越”是不可能的，但是我們可以嘗試用“穿越”的眼光來考察歷史。這不僅需要一定的歷史知識，更重要的是要有超越當(dāng)時歷史發(fā)展階段的思維和預(yù)知能力，將歷史作為研究對象和認(rèn)知對象認(rèn)真分析。
夏燕靖 南京藝術(shù)學(xué)院研究院教授、博士生導(dǎo)師，南京藝術(shù)學(xué)院藝術(shù)學(xué)理論學(xué)科帶頭人，南京藝術(shù)學(xué)院藝術(shù)史論國家級一流本科專業(yè)建設(shè)點負(fù)責(zé)人。國務(wù)院學(xué)位委員會第七、八屆學(xué)科評議組（藝術(shù)學(xué)理論）成員、中國藝術(shù)學(xué)理論學(xué)會藝術(shù)史專業(yè)委員會會長。主要從事中國古代服飾史、染織工藝史及傳統(tǒng)手工藝等領(lǐng)域研究。發(fā)表專業(yè)論文180余篇，出版專著《藝術(shù)中國/服飾藝術(shù)》《云裳華服衣生活》等多部。承擔(dān)主要科研項目有：國家社科基金藝術(shù)學(xué)重大項目、一般項目、教育部重大課題專項。著作入選2016年度國家社科文庫，獲江蘇省哲學(xué)社會科學(xué)一、二、三等獎等多項獎勵。領(lǐng)銜主持的“中國特色藝術(shù)學(xué)理論建構(gòu)與文化創(chuàng)新研究團(tuán)隊”獲評2020年度江蘇省高校哲學(xué)社會科學(xué)優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊。
、正則表達(dá)式語法
正則表達(dá)式是用匹配或者描述字符串的工具。
用處：
a.判斷字符串是否滿足某個條件---判斷輸入的字符串是否是郵箱/手機號碼。是否是ip地址
b.提取滿足條件的字符串
c.字符串替換
Python中通過re模塊中相應(yīng)的方法來支持正則表達(dá)式的匹配、查找和替換等功能
from re import fullmatch
fullmatch(正則表達(dá)式字符串, 字符串) ---> 判斷正則表達(dá)式和字符串是否完全匹配
正則表達(dá)式字符串: 就是一個字符串，字符串中是正則表達(dá)式語法。r'正則表達(dá)式'
正則表達(dá)式中包含兩個部分，一個是正則語法對應(yīng)的字符，二個是普通字符
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