【科普】操作系统与文件

0xAA55

注：本文并不介绍有关文件系统的细节。本文只是一个简单的科普文。
原文：http://www.0xaa55.com/forum.php?mod=viewthread&tid=1399
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现在几乎所有的操作系统都有各种操作文件的功能——打开文件，读取文件，写入文件，删除文件，移动文件，复制文件等。并且，这些功能也作为操作系统理应提供的API供用户程序使用。
那么这些东西内部是怎么一回事儿呢？
首先看一张图。

这个是硬件层面上的关系。。总之存储器连接到电脑的主板，然后主板的控制器可以接收CPU发送的命令去控制这些存储器。
接下来就是软件方面的关系了。

这样的文字显得有点太认真了。。那么我就给大家讲个比较通俗易懂的。

首先，我们把存储器看成是本子。一本全新的本子，上面有格子，每个格子里都可以写字。无论这个本子是便签本、小楷本还是画画用的美术本，它总之都是能让你写字在上面的。（硬盘、U盘等各种“盘”，都是“本子”）
而存储器驱动，我们可以把它看成笔。通常都是可擦除的铅笔，当然也有光盘这样的“钢笔”。
然后往存储器里写入数据，相当于往本子上的格子里写字（没有格子的本子可以“低级格式化”一下，给它划上格子。这相当于尚未出厂的机械硬盘）。
而如果你写的那个格子里正好有之前写过的字的话，你会把它擦掉，然后重新写新的字。（光盘通常不能擦除，这相当于“钢笔字”而非“铅笔字”）

但是光给你一个本子，让你在里面记录几篇随时都可能改变的文章，你应该怎么记录呢？
要记录的文章，不仅内容随时都有可能改变，更重要的是它的长度也可能发生变化（字数的增减等）。而你又必须高效率地让这几个文章同时存在于一个本子上。这个时候，负责组织存储方式的一个驱动程序就叫“文件系统驱动”。

所谓文件系统驱动，就是组织好“文章”并且将其一并写入“本子”的驱动程序。其中FAT文件系统，就是在“本子”的前几页记录这些“文章”的存储位置的分布，以及“文章目录”的位置。后面就是“文章正文”了。不过一篇“文章”可能并不是连续记录的，中间可能会插入一些别的“文章”的内容。不过这个FAT格式的“本子”的前几页已经记录了所有的文件的分布情况（即所谓FAT表），所以你只需要不断翻回去看，就知道怎样完整阅读一篇文章了。

为什么这样呢？因为“文章1”被存储的时候，后面又存储了“文章2”。然后“文章1”又要添加新的内容了，但是后面紧跟着一个“文章2”。所以新的内容就被放到了“文章2”的后面了。这样的话，“文章1”的碎片化就产生了。每次你要完整阅读“文章1”的时候你都要一边读，一边翻看前面的FAT表来确定“文章1”下一个部分在哪里。于是效率就降低了。“清理磁盘碎片”这个功能，就是将所有的“文章”都重新排列一下——把它们读取出来，然后擦掉旧内容，再把它们连续地一篇篇记录到“本子”上。

假设你在往硬盘里写入数据的时候，你的电脑断电了。这相当于你在往“本子”上写字的时候，你“晕过去”了。醒来的时候，可以看到“本子”上，之前正在写的那个“文章”并没有写完。后面的字迹可能都看不清了。这就是“文件损坏”。

我刚才举的那段例子中，“本子”指“存储器”，而记录“文章”的方式，就是“文件系统格式”，比如FAT（就像我说的那样，它其实是在存储器的扇区里依次存储了“FAT表”，文件目录表，以及文件的内容。）以及相对于FAT更安全的NTFS文件系统（恕笔者无知，我对NTFS并没有什么了解，我只知道这东西很安全，但是通常只有Windows知道它的内容是怎么组织的。）当用户程序需要打开一个文件的时候，它其实借助了文件系统驱动。文件系统驱动帮用户程序组织文件的存储方式，而文件系统驱动也需要依靠存储器驱动的帮助来访问存储器。用户程序，假设是C语言，只需要调用fopen就能打开一个文件或者创建一个空的文件，然后调用fread来读取文件，或者调用fwrite写内容到文件里。完事儿以后，调用fclose告诉操作系统“我写好了”或者“我读好了”。

小鹿乖乖

解释得好好。。看懂了