操作系统将物理资源抽象为虚拟资源，例如将内存抽象为虚拟内存、CPU和内存抽象为进程；而对于磁盘，操作系统则以文件的形式加以抽象。

文件是磁盘的抽象。应用程序不会直接读写挂载在计算机上的磁盘本身，操作系统中也是不允许的。在Unix中，与存储系统交互的唯一方式就是通过文件：可以命名文件、读写文件等。在这背后，操作系统负责决定如何将文件映射到磁盘块，确保一个磁盘块只属于一个文件，并确保用户A无法操作用户B的文件。

用单一CPU抽象出无限个vCPU采用的是时分复用（time sharing），而用单一磁盘抽象出多个文件则是空分复用（space sharing）。

文件系统的目标是使用下层的持久存储设备作为资源，为上层提供文件抽象及相应的读写操作。

1.1 抽象：文件和目录

文件是一个线性的字节数组。文件系统中，文件的抽象与inode对应，inode由inode号（inumber）标识，inode包含（一级或多级）索引，这些索引直接或间接指向文件对应的数据块。

目录包含若干个文件或下级目录。文件系统中，目录的抽象也与inode对应，对应的inode同样有inumber，inode包含索引，指向目录数据块，目录数据块包含“所含文件或下级目录的名称->所含文件或下级目录的inode”的映射列表。

最高级的目录是根目录。根目录包含文件或下级目录，递归地组成整个文件系统。根目录的inode号应是已知的，因此，通过根目录，可以查找文件系统中的任何文件。

Unix 文件系统的API

open: 从根目录开始，递归查找（或创建）指定文件路径，返回文件描述符fd（文件描述符由进程私有）。
read: 给定文件描述符，读取指定长度的数据，并隐式更新offset（由操作系统跟踪，与文件描述符绑定，即系统跟踪当前进程在打开的文件中下一个读写位置）。
write: 给定文件描述符，写入指定长度的数据（到内存缓冲区，并在适当时写回磁盘），并隐式更新offset。
lseek: 给定文件描述符，用参数指定的值（和方式）修改offset。
fsync: 立即将文件写入磁盘（write可能不会立即写入磁盘），成功后返回。
link(path1, path2): 创建硬链接，在path2目录的映射列表中创建一个新条目，指向path1文件的inode，并增加inode中的引用计数。
unlink: 删除文件，即删除当前目录中文件与inode之间的映射条目，减少inode中的引用计数，inode和文件数据只有在引用计数为0时才会真正删除。
rename: 文件重命名。
stat/fstat: 查看文件元数据。
mkdir: 创建目录。
opendir/readdir/closedir: 打开/读取/关闭目录。
rmdir: 删除空目录。
mkfs: 创建文件系统。
mount: 挂载文件系统，将目录树复制粘贴。

此外，还可以使用“ln -s”命令创建符号链接，符号链接实际上是一个特殊文件，指向已存在的文件。

1.2 存储设备：磁盘

1.2.1 外部设备

一个标准的外部设备包括硬件接口和内部实现。接口上一系列寄存器用于与系统交换状态、命令和数据，内部实现依赖于硬件本身，通常包含硬件的CPU、内存等芯片。

硬件与系统的交互方式包括：轮询（polling, CPU询问硬件是否有数据要传输）、中断（interrupt, 硬件向CPU发出中断请求）、杂合（先轮询后中断）、DMA（直接内存存取，硬件数据直接复制至内存，无需CPU参与，完成后中断）。

设备与系统通信的方法有：特权指令（使用in/out特权指令传输数据）、内存映射IO（MMIO，设备直接映射到虚拟内存中）。

设备通过抽象接口连接到应用程序，例如文件系统栈中，应用程序使用文件系统提供的POSIX API（如上所述）。文件系统使用操作系统的通用块接口读取数据块，而操作系统通过设备驱动提供的具体块接口与硬件交互。

1.2.2 磁盘

磁盘是一种常见的存储设备，广泛应用于计算机系统中。传统的机械硬盘（HDD）由旋转的磁盘盘片和读写磁头组成，数据通过磁头在盘片上的磁性表面进行读写操作。硬盘的性能主要由转速（RPM）、平均寻道时间和数据传输速率决定。

分区与格式化: 磁盘通常被划分为多个分区，每个分区可以独立地被操作系统管理。在使用之前，磁盘需要经过格式化，创建文件系统，使其能够存储和管理文件。
存储结构: 磁盘存储数据的基本单位是扇区（sector），通常为512字节或4KB。多个扇区组成一个块（block），文件系统以块为单位进行管理。
寻道与延迟: 由于机械硬盘的物理特性，寻道时间（磁头移动到目标扇区的时间）和旋转延迟（等待目标扇区旋转到磁头下的时间）是影响磁盘性能的重要因素。

随着技术的发展，固态硬盘（SSD）逐渐普及。SSD没有机械部件，数据存储在闪存芯片上，具有更高的读写速度和更低的延迟。SSD通过控制器管理数据的读写，并采用磨损均衡（wear leveling）技术，延长闪存芯片的使用寿命。

1.3 文件系统实现方案

VSFS

VSFS（Very Simple File System）是一种教学用途的文件系统，用于帮助理解文件系统的基本概念。它使用了一种非常简单的结构：

超级块: 存储文件系统的元数据，如文件系统的大小、空闲块数等。
inode表: 存储文件的元数据，如文件的大小、指向数据块的指针等。
数据块: 存储文件的实际数据。

VSFS的设计非常简单，缺乏现代文件系统的一些特性，如日志（journaling）和多级索引，但其简单性有助于学习文件系统的基本工作原理。

FFS

FFS（Fast File System）是Unix系统中的一种重要文件系统，针对性能进行了优化。它采用了以下几个关键技术：

块分组（block grouping）: 将文件系统划分为多个块组，每个块组包含若干个连续的数据块、inode表和一个超级块副本。这种结构减少了磁头的移动，提升了性能。
多级索引（multi-level indexing）: FFS使用了直接、间接、双重间接和三重间接索引，支持存储非常大的文件。
文件系统碎片管理: 通过合理分配数据块，减少文件系统碎片，提高磁盘利用率。

LFS

LFS（Log-Structured File System）是一种针对写操作进行了优化的文件系统。其主要特点包括：

日志结构: 所有数据和元数据都以日志形式追加到磁盘的末尾，从而避免了频繁的磁盘寻道操作，提升了写性能。
清理机制（cleaning mechanism）: 由于日志结构会导致旧数据块的存在，LFS通过清理机制回收这些旧块，确保磁盘空间的有效利用。

LFS适用于写操作频繁的应用场景，如数据库系统和高性能计算。

Linux的方案：Ext3/4

Ext3/4是Linux操作系统中的主流文件系统，继承了Ext2的设计，并引入了一些现代文件系统的特性：

日志（journaling）: Ext3/4支持日志记录，有效提高了文件系统的可靠性。日志记录可以在崩溃后快速恢复文件系统状态。
延迟分配（delayed allocation）: Ext4引入了延迟分配策略，数据块的实际分配推迟到写入磁盘前，从而优化了磁盘布局，减少了碎片。
扩展属性（extended attributes）: 支持为文件和目录存储额外的元数据，如访问控制列表（ACLs）。
大文件支持: Ext4支持更大的文件和分区，并且通过多级索引，能够高效地管理大文件。

多核心

多核心调度

多核心调度是现代操作系统中的一个重要挑战，涉及如何有效地将任务分配给多个处理器核心。常见的多核心调度策略包括：

负载均衡（load balancing）: 通过在核心之间均匀分配任务，避免某些核心过载，而其他核心空闲。操作系统可以使用全局队列或每个核心的本地队列来管理任务。
亲和性调度（affinity scheduling）: 将任务分配给最近执行过该任务的核心，利用缓存的局部性，提升性能。亲和性调度可以分为软亲和性和硬亲和性，软亲和性允许任务在不同核心之间迁移，而硬亲和性则限制任务只能在指定核心上执行。
抢占式调度（preemptive scheduling）: 在多任务环境中，操作系统可以强制切换任务，以确保高优先级任务及时得到执行。

多核心并发

多核心并发涉及如何在多个处理器核心之间安全地共享数据和资源。常见的多核心并发控制机制包括：

锁（lock）: 用于保护临界区，确保同一时间只有一个核心可以访问共享资源。常见的锁机制包括自旋锁（spinlock）和互斥锁（mutex）。
原子操作（atomic operation）: 硬件支持的原子操作能够在多核心环境中安全地修改共享变量，避免竞争条件。
内存屏障（memory barrier）: 保证在多核心系统中，指令的执行顺序不会因硬件优化而乱序，确保并发操作的正确性。
并行编程模型: 常见的并行编程模型包括线程（thread）、任务（task）和消息传递（message passing）。这些模型通过不同的方式管理并发执行的任务，提升程序的性能。