面试题：文件系统中文件的逻辑结构与物理结构

Question

请阐述文件逻辑结构（如顺序结构、链接结构、索引结构）和物理结构（如连续分配、链接分配、索引分配）的区别与联系，并说明不同物理结构在文件读写操作时的优缺点。

Answer 1

区别

1. 定义角度
   • 逻辑结构：是从用户观点出发所看到的文件组织形式，是用户可以直接处理的数据及其结构，它独立于文件的物理特性。例如顺序结构，用户看到的文件就像一条连续的记录序列。
   • 物理结构：是指文件在外存上的存储组织形式，它与存储介质的特性紧密相关。比如连续分配，是将文件存储在连续的磁盘块上。
2. 关注点
   • 逻辑结构：关注的是文件信息的逻辑表示和操作便利性，便于用户对文件进行检索、插入、删除等操作。
   • 物理结构：关注的是如何在存储设备上高效地存储和访问文件，以提高文件系统的性能，如磁盘空间利用率、文件读写速度等。

联系

文件的逻辑结构通过物理结构在存储设备上得以实现。不同的逻辑结构可能适合不同的物理结构，例如顺序结构的文件可能更适合连续分配的物理结构，以方便顺序读写。而索引结构的文件可能更适合索引分配的物理结构，以提高随机访问效率。

不同物理结构在文件读写操作时的优缺点

1. 连续分配
   • 优点
     • 顺序读写速度快：因为文件存储在连续的磁盘块上，磁头移动距离小，顺序访问时能快速读取数据，适用于像视频、音频等顺序访问要求高的文件。
     • 支持随机访问：由于知道文件起始块号和长度，可直接计算出要访问块的物理地址，随机访问效率较高。
   • 缺点
     • 磁盘空间利用率低：需要预先分配连续空间，如果文件大小估计不准确，可能会造成大量磁盘空间浪费。同时，文件扩展时可能因找不到连续空间而导致无法扩展。
     • 文件创建和删除时易产生碎片：频繁的文件创建和删除操作，会在磁盘上留下许多不连续的小空闲块，降低磁盘利用率。
2. 链接分配
   • 优点
     • 磁盘空间利用率高：文件存储无需连续空间，能充分利用磁盘上的零散空间，避免了连续分配中因空间不连续而造成的浪费。
     • 文件动态扩展方便：只需在链表末尾添加新块即可，无需担心连续空间不足的问题。
   • 缺点
     • 顺序读写速度慢：因为块与块之间通过指针链接，读取时需要依次读取每个块的指针，增加了寻道时间，导致顺序读写效率不如连续分配。
     • 不支持高效随机访问：要访问文件中某一块，需从文件头开始遍历链表，直到找到目标块，随机访问效率较低。
3. 索引分配
   • 优点
     • 支持高效随机访问：通过索引表可直接定位到目标块的物理地址，随机访问速度快，适用于数据库等需要频繁随机访问的应用场景。
     • 磁盘空间利用率较高：文件块不必连续存储，可充分利用零散空间。而且索引表相对较小，占用空间有限。
   • 缺点
     • 索引表管理开销：需要额外的空间来存储索引表，并且在文件创建、删除和修改时，需要维护索引表，增加了系统开销。
     • 读写性能受索引表影响：如果索引表损坏或丢失，可能导致文件无法访问。同时，读取索引表也会增加一定的时间开销。