面试题：文件系统文件逻辑组织灵活性改进中的并发访问与一致性

Question

在对文件系统文件逻辑组织进行灵活性改进时，往往需要考虑多进程或多线程并发访问的情况。请详细说明如何设计机制来保证在并发访问下文件逻辑组织的一致性，比如在文件创建、删除、重命名等操作时，如何避免数据不一致问题，同时还要兼顾改进后的灵活性不受过多影响，给出具体的算法思路和可能涉及的数据结构。

Answer 1

算法思路

1. 锁机制
   • 互斥锁（Mutex）：在文件系统关键操作（如文件创建、删除、重命名）前获取互斥锁，操作完成后释放。比如，在创建文件时，先获取互斥锁，检查文件是否已存在，若不存在则创建，最后释放互斥锁。这能保证同一时间只有一个进程或线程能进行这些操作，避免数据不一致。但可能会影响灵活性，因为其他进程需等待锁释放。
   • 读写锁（Read - Write Lock）：对于读操作（如读取文件元数据）可允许多个进程或线程同时进行，因为读操作不会改变文件逻辑组织。而写操作（创建、删除、重命名）需要获取写锁，写锁独占，防止其他读写操作。这样在保证一致性的同时，提高了读操作的并发度，兼顾灵活性。
2. 事务机制
   • 将文件操作封装成事务，事务内包含一系列相关操作，如文件创建及相关元数据更新。事务具有原子性，要么全部成功，要么全部回滚。例如，创建文件时先创建文件实体，再更新文件目录结构中的元数据，若元数据更新失败，则回滚文件实体创建操作。这保证了文件逻辑组织的一致性，同时允许事务内操作有一定灵活性。
3. 版本控制
   • 为文件系统的文件逻辑组织维护版本号。每次关键操作后版本号递增。进程或线程在操作前读取当前版本号，操作完成后再次检查版本号。若版本号未改变，说明操作期间无其他进程修改，操作成功；若版本号改变，则回滚操作并重新尝试。这在一定程度上保证一致性，且允许并发操作，灵活性较高。

可能涉及的数据结构

1. 文件描述符表：记录系统中打开文件的信息，包括文件路径、文件状态等。在并发操作时，通过文件描述符表可快速定位和管理文件，判断文件是否正在被其他进程操作。
2. 元数据结构：存储文件的属性信息，如文件名、文件大小、创建时间等。在文件操作时，元数据需要同步更新，保证一致性。例如，重命名操作时，更新元数据中的文件名。
3. 事务日志：用于记录事务内的操作步骤，以便在事务回滚时按日志逆向操作。比如记录文件创建的位置、大小等信息，若事务失败，可依据日志删除创建的文件。