面试题：文件系统 - 高性能文件系统设计原则的基本理解

Question

请阐述《高性能文件系统的设计原则》中，空间管理和分配策略对文件系统性能的影响，并举例说明常见的优化方式。

Answer 1

空间管理和分配策略对文件系统性能的影响

1. 连续分配
   • 优点：文件读取性能高，因为数据在磁盘上是连续存储的，磁头移动距离短，顺序访问速度快。例如，对于视频文件这种需要连续大量读取的文件，连续分配能极大提升播放流畅度。
   • 缺点：文件扩展困难，若文件大小增长，可能需要重新分配整个文件空间，导致性能下降；并且容易产生外部碎片，浪费磁盘空间。比如一个初始大小为10MB的文件，分配了连续10MB空间，后续若要扩展到15MB，可能找不到连续15MB空间，需要重新整理磁盘。
2. 链式分配
   • 优点：文件扩展方便，只需在链表末尾添加新的块即可。能有效利用磁盘上的零散空间，减少外部碎片。
   • 缺点：随机访问性能差，要访问文件中的某一块，需要从链表头开始遍历。例如，若要访问一个大文件中间某块数据，需要依次读取前面所有块的指针，这会带来大量的寻道时间开销。
3. 索引分配
   • 优点：支持高效的随机访问，通过索引表可以直接定位到文件的任意块。文件扩展相对容易，只需在索引表中添加新的块指针。对于需要频繁随机访问的数据库文件非常适用。
   • 缺点：索引表本身需要占用额外的磁盘空间，并且对于小文件，索引表带来的开销相对较大。比如一个1KB的小文件，可能索引表也有几百字节的开销。

常见的优化方式

1. 预分配
   • 原理：在文件创建或扩展时，提前为文件分配一定数量的连续块。这样在文件写入过程中，减少了频繁分配小块空间的开销，同时保证后续写入的数据能尽量连续存储。
   • 举例：数据库系统在创建新表时，通常会预分配一定数量的页空间，避免在数据插入过程中频繁申请小块空间，提高数据插入性能。
2. 成组链接法
   • 原理：将空闲块分组，每组的第一个块记录下一组的块号等信息。这种方式既能高效管理大量空闲块，又便于快速分配和回收。
   • 举例：UNIX文件系统采用成组链接法管理空闲块，在文件删除时，将释放的块快速加入空闲块组，在文件创建时，从空闲块组中快速分配所需块。
3. 位示图
   • 原理：用一个二进制位来表示磁盘上的一个块是否空闲，0表示空闲，1表示已占用。通过对这些二进制位的操作，可以快速判断和分配空闲块。
   • 举例：在一个有1000个块的磁盘分区中，用1000位的位示图来管理，查找空闲块时，遍历位示图找到为0的位，即可分配相应块。