正如解決數(shù)學(xué)問題通常我們會談“思想”缩抡，諸如反證法、化繁為簡等包颁，解決計算機問題也有很多非常出色的思想瞻想。思想之所以稱為思想，是因為“思想”有拓展性與引導(dǎo)性娩嚼，可以解決一系列問題蘑险。根據(jù)我自己的學(xué)習(xí)體驗，解決計算機科學(xué)問題有三個非常重要的思想：虛擬岳悟、緩存佃迄、分層。
這些思想的應(yīng)用可以在計算機科學(xué)的各個方面找到贵少。計算機科學(xué)的文件系統(tǒng)的構(gòu)成充分體現(xiàn)了這三個思想的應(yīng)用呵俏；這篇文章以小見大，來說明文件系統(tǒng)是如何體現(xiàn)這三個思想的滔灶。
虛擬
虛擬的思想很像數(shù)學(xué)中的“抽象”的思想普碎。虛擬通過將結(jié)構(gòu)、性質(zhì)不同的底層實現(xiàn)進行封裝录平，向上提供統(tǒng)一的API接口麻车，讓使用者覺得就是在使用一個統(tǒng)一的資源，或者讓使用者覺得自己在使用一個本來底層不直接提供萄涯、“虛擬”出來的資源绪氛。
虛擬文件系統(tǒng)（VFS, Virtual File System）是一個分層結(jié)構(gòu)。向下統(tǒng)一設(shè)備I/O等硬件資源涝影，向上提供統(tǒng)一的文件/文件系統(tǒng)API枣察，讓用戶覺得自己用的就是一套統(tǒng)一的文件系統(tǒng)。例如燃逻，在unix系統(tǒng)中序目，“一切都是文件”就是這種虛擬文件系統(tǒng)思想的體現(xiàn)。
虛擬文件系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：
- 文件卷控制塊
- 文件控制塊
- 目錄項
其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
當(dāng)文件系統(tǒng)掛載的時候伯襟，文件卷控制塊就加載到掛載點猿涨；當(dāng)訪問某個文件時，文件控制塊就被加載到內(nèi)存姆怪；目錄項只會在做遍歷等操作時才會加載叛赚。這些信息都會被持久存在外存中澡绩。（磁盤中有一部分空間用來儲存這些信息）
在這個統(tǒng)一的框架下，不通類型的文件系統(tǒng)（例如磁盤文件系統(tǒng)FAT,NTFS,數(shù)據(jù)庫文件系統(tǒng)WinFS,日志文件系統(tǒng)俺附，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)等）與不同結(jié)構(gòu)的文件（字節(jié)序列肥卡、簡單記錄結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)如word等）就成為了這個虛擬文件系統(tǒng)的一個實例事镣。例如步鉴，網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)可能被掛載在/net/下，當(dāng)我們插入USB時璃哟，在/Volumns中就掛載了USB介質(zhì)氛琢。
緩存
緩存這個機制，非常巧妙地解決了讀速度與寫速度不一致的問題随闪。計算機的虛擬內(nèi)存阳似、路由器的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送等，都可以看成緩存思想的應(yīng)用蕴掏。
在文件系統(tǒng)中障般，由于從磁盤上讀取是機械過程，速度比較慢盛杰，解決讀寫速度不一致問題的一個有效方案是緩存∶晔基本思想是將磁盤中的數(shù)據(jù)讀如磁盤控制器（扇區(qū)緩存）即供，在一定條件下，將數(shù)據(jù)緩存到內(nèi)存于微。
通常緩存數(shù)據(jù)塊的情景有兩種：
- 對數(shù)據(jù)有需求逗嫡。因此計算機會將后面的數(shù)據(jù)塊預(yù)先讀如緩存。
- 數(shù)據(jù)塊使用后將來還可能被用到株依。
緩存從方式上分可以分為兩種：數(shù)據(jù)塊緩存與頁緩存驱证。
在數(shù)據(jù)塊緩存中，文件并不是直接緩存到內(nèi)存中恋腕，而是被緩存到數(shù)據(jù)緩存塊抹锄，頁緩存也被緩存到數(shù)據(jù)緩存塊，文件讀寫操作從數(shù)據(jù)緩存塊讀取文件數(shù)據(jù)荠藤；在頁緩存中伙单，文件緩存在內(nèi)存中（可能是虛擬內(nèi)存），文件的讀寫操作被緩存成對內(nèi)存的訪問哈肖。
通過這種方式吻育，可以大大提高文件的讀寫速度。
分層
當(dāng)一個問題比較復(fù)雜是淤井，通常通過分層布疼，每層利用下層API摊趾，實現(xiàn)一定功能，向上層提供更高級的API游两。這種思想有點類似數(shù)學(xué)中的多尺度(multiscale)严就；許多問題在一個尺度下解決比較困難，但是通過多尺度器罐，可以綜合細網(wǎng)格與粗網(wǎng)格的優(yōu)點梢为，達到解決問題的目的。一個例子是網(wǎng)絡(luò)的7層結(jié)構(gòu)轰坊，通過不穩(wěn)定的硬件铸董，一層層封裝，最終可以提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)肴沫。
文件系統(tǒng)中粟害，文件分配是一個典型應(yīng)用分層思想的文件儲存解決方案。由于一個文件系統(tǒng)中颤芬，文件的大小不相同悲幅，大多數(shù)文件都很小，分配的塊空間不能太大站蝠，同時也要支持一些大文件（64位文件偏移）汰具，并且訪問這些大小不同的文件時我們希望是高效的。
文件分配一般有三種方式：
- 連續(xù)分配
在這種方式中菱魔，文件被分配到一個連續(xù)的物理數(shù)據(jù)塊空間留荔。這種方式支持高效的隨機訪問，但是由于分配的是連續(xù)的磁盤空間澜倦，可能導(dǎo)致磁盤碎片聚蝶。而且由于空間較為固定，增長文件也會出現(xiàn)問題藻治。
- 鏈?zhǔn)椒峙?/li>
文件以數(shù)據(jù)塊鏈表方式儲存碘勉。這種方式下，創(chuàng)建桩卵、增大验靡、減小文件很容易，但是隨機訪問代價比較高吸占。穩(wěn)定性也是一個問題：破壞一個鏈晴叨，可能導(dǎo)致其后的數(shù)據(jù)都丟失。
- 索引分配
索引分配的基本結(jié)構(gòu)是
文件指針 --> 索引 --> 數(shù)據(jù)塊1矾屯，數(shù)據(jù)塊2兼蕊，……
索引分配綜合了上面兩種分配方式的優(yōu)點，但是如果文件比較小件蚕，儲存索引的開銷相比文件大小可能比較昂貴孙技，如果文件比較大产禾，索引可能無法放到一個索引塊中，需要多個索引塊牵啦，這增加了訪問的難度亚情。
Unix系統(tǒng)采用了UFS多級索引分配的方式
UFS有很好的尺度適應(yīng)性：當(dāng)文件比較小時，文件指針inode直接指向文件數(shù)據(jù)塊哈雏，當(dāng)文件比較大時楞件，索引塊的數(shù)量增加的量級只是log(n)的量級。
通過分層的方式裳瘪，UFS大大提高了文件大小的限制域值土浸，動態(tài)分配數(shù)據(jù)塊，小文件開銷小彭羹，支持大文件黄伊。
另一種思想：分布式
上面的三種思想在計算機科學(xué)的許多方面都有體現(xiàn)，除了這些思想派殷，另外還有一種常見的思想是分布式还最。談及分布式，讓人想起Hadoop等現(xiàn)在研究非痴毕В火熱的分布式技術(shù)拓轻，事實上，分布式在文件系統(tǒng)中也有自己的體現(xiàn)虱黄。
分布式的基本思想是：
通過并行提高吞吐量悦即，通過冗余來提高可靠性與可用性。
在文件系統(tǒng)中橱乱，磁盤陣列通過多磁盤管理來實現(xiàn)分布式。我們以RAID-0為例粱甫，文件系統(tǒng)將數(shù)據(jù)塊分為多個字塊泳叠，存儲到獨立的磁盤中，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)的時候茶宵，可以同時讀取這些磁盤的數(shù)據(jù)危纫，從而通過并行提高了吞吐量。
RAID-1的方案是將數(shù)據(jù)同時寫入兩個磁盤乌庶，讀數(shù)據(jù)時從任何一個讀取种蝶，這樣某個磁盤的數(shù)據(jù)丟失后，可以從另一個磁盤獲得瞒大，這種方式是通過冗余來提高可靠性與可用性螃征。
還有很多其他的RAID方案，其核心就是通過分布式來獲得吞吐量透敌、可靠性或兩者盯滚。
總結(jié)
我們通過文件系統(tǒng)的一些方面說明了虛擬踢械，緩存，分層思想在計算機科學(xué)中的應(yīng)用魄藕，同時提及了分布式的思想内列。思想是各中計算機問題甚至各個學(xué)科共通的解決問題的利刃，我相信這些思想可以在更多的計算機科學(xué)問題甚至其他學(xué)科問題中發(fā)揮巨大的作用背率。
