软考（软件设计师）存储管理—存储空间管理，文件共享保护
一、文件存取方法
1. 顺序存取（Sequential Access）
- 原理：按记录写入顺序依次访问
- 特点：
- 读操作：读取当前位置，指针自动前移
- 写操作：追加到文件末尾
- 适用场景：磁带设备、日志文件
2. 直接存取（Direct Access / Random Access）
- 原理：直接定位到任意位置读写
- 操作方式：
seek(offset)移动文件指针read(size)/write(data)在当前位置操作
- 磁盘支持：通过计算物理地址实现
3. 索引存取（Indexed Access）
- 原理：通过索引表查找记录位置
- 工作流程：
- 搜索索引找到记录键
- 获取记录物理地址
- 直接访问该地址
二、存储空间管理技术
1. 空闲空间管理方法
2. 位示图法（Bitmap）
位示图法是一种用二进制位管理磁盘空间的技术，其基本原理如下：
- 数据结构：创建一个位数组（bit array），数组长度等于磁盘总块数
- 映射关系：
- 每个二进制位对应一个磁盘块
0表示空闲块1表示已分配块
- 存储位置：位示图通常存储在磁盘固定位置（如超级块附近）
完整示例：16块磁盘的位示图管理
初始状态（全空闲）：
磁盘块号: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
位示图值: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
操作1：分配块2、块5、块7
更新后位示图：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0
操作2：分配3个连续块
更新后位示图：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0
操作3：释放块5和块10
更新后位示图：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0
关键技术细节
1. 地址转换计算
-
块号 → 位位置：
- 字节偏移 = 块号 / 8
- 位偏移 = 块号 % 8
-
示例：访问块13
字节偏移 = 13 / 8 = 1 (第二个字节) 位偏移 = 13 % 8 = 5 检查第2字节的第5位（从0开始计数）
2. 空间占用计算
假设：
- 磁盘容量：1TB
- 块大小：4KB
计算过程：
总块数 = 1TB / 4KB = 2^30 / 2^12 = 2^18 = 262,144 块
位示图大小 = 262,144 bits / 8 = 32,768 bytes = 32KB
位示图法优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| ✅ 空间效率高：仅需约 0.0039% 的额外空间（1/256） | ❌ 分配连续空间需线性扫描 |
| ✅ 状态切换快：位操作效率极高 | ❌ 大磁盘中扫描效率低 |
| ✅ 实现简单：数据结构简洁 | ❌ 外部碎片问题仍然存在 |
| ✅ 随机访问快：直接计算位置 | ❌ 需要整个位图载入内存 |
3. 空闲链表法
- 物理链表实现：
4. 空闲区表法（Extent-Based）
原理
空闲区表法（Free Space Management with Extent Lists）是一种通过记录连续空闲区域来管理磁盘空间的技术，特别适合处理连续分配的场景。其核心思想是：
- 数据结构：维护一张表格（或链表），每个表项记录：
- 空闲区的起始块号
- 空闲区的长度（连续块数）
- 分配策略：当需要空间时，在表中查找满足需求的空闲区
- 合并机制：释放空间时自动合并相邻空闲区
完整示例：16块磁盘的空闲区表管理
初始状态（全空闲）：
操作1：分配3个连续块
更新后空闲表：
空闲区1: 起始块=3, 长度=13
操作2：再分配5个连续块
更新后空闲表：
空闲区1: 起始块=8, 长度=8
操作3：释放块0-2（3块）
更新后空闲表：
空闲区1: 起始块=0, 长度=3
空闲区2: 起始块=8, 长度=8
操作4：释放块3-7（5块）
最终空闲表：
分配策略对比
| 策略 | 操作方式 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 首次适应 | 从表头扫描，选择首个足够大的区域 | 分配速度快 | 易产生外部碎片 |
| 最佳适应 | 扫描整个表，选择最小的足够区域 | 减少大空闲区割裂 | 易产生微小碎片 |
| 最差适应 | 扫描整个表，选择最大的空闲区 | 减少微小碎片 | 破坏大空闲区 |
空间占用计算
假设：
- 磁盘容量：1TB
- 块大小：4KB
- 平均空闲区大小：16块
计算：
总块数 = 1TB / 4KB = 256M 块
平均空闲区数 = 256M / 16 = 16M
表项大小 = 8字节（4字节起始块 + 4字节长度）
总空间 = 16M × 8B = 128MB
优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| ✅ 减少外部碎片 | ❌ 分配时间随表增大而增加 |
| ✅ 高效管理大文件 | ❌ 小碎片无法利用 |
| ✅ 支持快速连续访问 | ❌ 需要定期合并操作 |
| ✅ 实现相对简单 | ❌ 大磁盘中表可能很大 |
5. UNIX成组链接法
成组链接法是UNIX文件系统采用的高效空闲块管理方法，核心思想是：
- 分组管理：将空闲块分成若干组
- 链式连接：每组最后一个块存储下一组信息
- 超级块缓存：内存中缓存第一组空闲块信息
完整示例：12块磁盘的成组链接管理
初始状态（3块/组）：
内存超级块内容：
| 空闲块数 | 空闲块列表 |
|---|---|
| 3 | [1, 2, 3] |
操作1：分配3个块
操作2：再分配1个块
操作3：释放块10,11,12
优缺点分析
| 优点 | 缺点 |
|---|---|
| ✅ 分配效率高（O(1)平均） | ❌ 实现复杂度高 |
| ✅ 释放操作快速 | ❌ 小规模磁盘不划算 |
| ✅ 减少磁盘I/O（超级块缓存） | ❌ 需维护链式结构 |
| ✅ 天然抵抗碎片化 | ❌ 极端情况需递归加载 |
三、文件共享和保护
文件共享机制
软链接与硬链接
硬链接（Hard Link）
底层原理
在 Linux 文件系统中：
- 每个文件对应一个唯一的 inode（索引节点）
- inode 存储文件的元数据（权限、大小、时间戳等）
- 硬链接是指向同一个 inode 的多个目录项
创建与操作（终端命令）
# 创建原始文件
$ echo "Original Content" > original.txt# 创建硬链接
$ ln original.txt hardlink.txt# 查看inode信息
$ ls -li
123456 -rw-r--r-- 2 user group 17 Jan 1 10:00 hardlink.txt
123456 -rw-r--r-- 2 user group 17 Jan 1 10:00 original.txt
# ↑ 相同的inode号（123456）和链接数（2）# 修改硬链接文件
$ echo "New content" >> hardlink.txt# 检查原始文件
$ cat original.txt
Original Content
New content# 删除原始文件
$ rm original.txt# 硬链接仍然有效
$ cat hardlink.txt
Original Content
New content
关键特性
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| inode 相同 | 所有硬链接共享同一 inode |
| 文件大小 | 与原文件相同（不占用额外空间） |
| 跨文件系统 | ❌ 不支持 |
| 链接目录 | ❌ 不允许（避免循环引用） |
| 删除影响 | 减少链接计数，仅当计数为0时删除数据 |
| 权限同步 | 所有硬链接权限始终相同（同一 inode） |
使用场景
- 文件多重备份（防止误删）
- 同一文件需要在多个位置访问
- 节省空间的"副本"创建
软链接（Symbolic Link / Symlink）
底层原理
- 软链接是独立的文件，有自己的 inode
- 内容存储目标文件的路径（字符串）
- 类似Windows的快捷方式
创建与操作（终端命令）
# 创建原始文件
$ echo "Source Content" > source.txt# 创建软链接（绝对路径）
$ ln -s /home/user/source.txt abs_link.txt# 创建软链接（相对路径）
$ ln -s source.txt rel_link.txt# 查看链接信息
$ ls -l
lrwxrwxrwx 1 user group 11 Jan 1 10:00 abs_link.txt -> /home/user/source.txt
lrwxrwxrwx 1 user group 10 Jan 1 10:00 rel_link.txt -> source.txt
-rw-r--r-- 1 user group 15 Jan 1 10:00 source.txt# 访问软链接
$ cat rel_link.txt
Source Content# 删除原始文件
$ rm source.txt# 软链接失效（断链）
$ cat rel_link.txt
cat: rel_link.txt: No such file or directory# 检查断链状态
$ ls -l rel_link.txt
lrwxrwxrwx 1 user group 10 Jan 1 10:00 rel_link.txt -> source.txt # 红色显示
关键特性
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| inode | 独立于目标文件 |
| 文件大小 | 等于路径字符串长度 |
| 跨文件系统 | ✅ 支持 |
| 链接目录 | ✅ 允许 |
| 删除影响 | 目标文件删除后失效 |
| 权限 | 总是 777（实际权限由目标决定） |
核心区别对比
| 特性 | 硬链接 | 软链接 |
|---|---|---|
| 本质 | 同一文件的多个目录项 | 存储路径的特殊文件 |
| inode | 与目标文件相同 | 独立 inode |
| 跨文件系统 | ❌ 不支持 | ✅ 支持 |
| 链接目录 | ❌ 禁止 | ✅ 允许 |
| 原始文件删除 | 仍可访问（链接数减1） | 链接失效（断链） |
| 文件大小 | 与目标文件相同 | 路径字符串长度 |
| 路径依赖 | 无 | 相对路径依赖位置 |
| 更新影响 | 所有链接同步更新 | 链接指向不变，目标可更换 |
| 权限 | 与目标相同 | 总是 lrwxrwxrwx |
| 查找命令 | find . -samefile 文件 | find -type l -ls |
Linux 系统视角
文件保护机制
1. 访问控制矩阵
2. 访问控制列表（ACL）
- 原理：为每个文件维护权限列表
- 结构：
3. UNIX权限模型（9-bit）
权限位分解
“文件类型”: 1
“所有者权限” : 3
“组权限” : 3
“其他用户” : 3
权限示例：
第一位表示文件的类型，-代表文件，d代表目录
-rwxr-xr--↑↑↑↑ ↑↑│||| |└─ 其他：读│||| └── 组：执行│|│└── 组：读││└──── 所有者：执行|└───── 所有者：写└────── 所有者：读
[“hardlink → inodeX”]
Directory2[目录] --> EntryC[“symlink → inodeY”]
#### 文件保护机制##### 1. 访问控制矩阵```mermaid
graph LRA[访问控制矩阵] --> B[域:用户/进程]A --> C[对象:文件]B --> D[权限:R/W/X]
2. 访问控制列表（ACL）
- 原理：为每个文件维护权限列表
- 结构：
3. UNIX权限模型（9-bit）
权限位分解
“文件类型”: 1
“所有者权限” : 3
“组权限” : 3
“其他用户” : 3
权限示例：
第一位表示文件的类型，-代表文件，d代表目录
-rwxr-xr--↑↑↑↑ ↑↑│||| |└─ 其他：读│||| └── 组：执行│|│└── 组：读││└──── 所有者：执行|└───── 所有者：写└────── 所有者：读