文件系统基础

文件系统基础知识目录硬盘基础磁道、扇区、柱面分区知识DOS分区体系文件系统概述FAT32文件系统NTFS文件系统硬盘基础磁道：当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些

圆形轨迹就叫做磁道。扇区：磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧

段便是磁盘的扇区，每个扇区可以存放512个字

节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据

时，要以扇区为单位。柱面：硬盘通常由重叠的一组盘片构成，每个盘面都被

划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编

号，具有相同编号的磁道形成一个圆柱，称之为

磁盘的柱面。分区知识使用DOS分区体系时，磁盘的第一个扇区被称为主引导记录扇区。当系统完成自检后，首先寻找磁盘的MBR扇区并读取其中的引导记录，然后将系统控制权交给它。主引导记录(MBR)：由446个字节的引导代码、64个字节的主分区表及2个字节的签名值“55AA”组成。引导代码：MBR接管系统的控制权后，引导代码负责对其他代码信息进行检查并进一步引导系统。分区表：分区表负责描述磁盘内的分区情况。“55AA”有效标志：通知系统该MBR扇区是否有效。文件系统总论文件系统中的基本概念数据单元：

数据在写入磁盘或从磁盘读取时每次操作的数据量称为数据单元，它的大小在建立文件系统式确定，一个数据单元由若干个连续的扇区组成，存储数据时，系统以数据单元为单位为其分配存储空间。数据单元在不同的操作系统中有不同的称呼方式。分配策略：第一可用分配策略：即当为一个文件分配了一个存储单元后还需要继续为其分配时，操作系统重新从文件系统的起始处搜索可以使用的空间下一可用分配策略：即为文件分配了一个存储单元后并不再回到起始处重新寻找可用空间，而是直接向后进行搜索。最佳可用分配策略：即在为文件分配空间时，会尽可能找到足够连续的空间以避免其片段化。文件更新策略：有的程序在对文件更新时，直接打开原文件，更新后直接用新文件覆盖原文件进行保存。有的程序则是先产生一个原文件的副本，对副本进行更新，然后将副本以原文件名保存在新的位置同时删除原文件。FAT文件系统概述名字由来FAT(FileAllocationTable,文件分配表)文件系统的名字由来就是因为它使用文件分配表描述文件系统内存储单元的分配状态及文件内容的前后链接关系。簇FAT文件系统数据单元称之为“簇”，一个“簇”由一组连续的扇区组成。用户文件和目录都存储在簇中。所有的簇从2开始编号。FAT文件系统整体布局总体来讲，一个FAT文件系统可以分为三个部分：保留区、FAT区和数据区。这个三个区域在建立文件系统(格式化)时即被创建。FAT文件系统整体布局

保留区FAT1FAT2数据区FAT区FAT32文件系统保留区保留区：位于FAT32文件系统前部，由若干个扇区组成而成。其中包含一个重要的数据结构－系统导扇区。保留区的大小存在于引导扇区中。引导扇区是FAT32文件系统的第一个扇区，也称为DBR扇区。包含如下基本信息：每扇区字节数每簇扇区数保留扇区数

FAT表个数文件系统大小(扇区数)

每FAT表大小(扇区数)

根目录起始簇号其他附加信息FAT32文件系统的FAT表FAT表的作用描述簇的分配状态及标明文件或目录的下一簇的簇号。FAT表的组成一系列的大小相等的FAT表项组成，FAT表项从0开始进行地址编号，0号地址和1号地址被系统保留并存储特殊标志内容。从2号地址开始，每个地址对应于数据区的簇号。注：由创建文件系统时同时也会创建根目录，也就是要为根目录分配一个簇空间，

通常为2号簇。FAT表的记录情况：

新建文件：如果新建的文件只占用一个簇，为其分配的簇所对应的FAT表项将会被写入结束标记，如果新建的文件不只占用一个簇，则在为其所占用的每个簇对应的FAT表项中写入为其分配的下一个簇号，最后一个簇对应的FAT表项中写入结束标记。

新建目录：新建目录时，只为其分配一个簇的空间，对应的FAT表项中写入结束标记。

删除文件或目录：它们所对应的FAT表项将被清空，设置为0。FAT32文件系统的数据区概述:数据区是真正用于存储用户数据的区域。数据区紧跟在FAT2之后，被划分为一个个的簇，所有的簇从2开始依次编号。数据区：根目录：在文件系统建立时即被创建，其目的就是存储子目录或文件的目录项。子目录：我们将除根目录以外的目录都称为子目录。目录项：目录项中记录子目录或文件的起始簇号、名字、大小时间值等信息。每个目录项的大小为32个字节。文件系统在创建时即为根目录分配了一个簇的空间(通常为2号簇)。在根目录下新建目录或文件时，就是在为根目录分配的簇中为其建立目录项。在为子目录建立目录项的同时，也在为子目录分配的簇中，使用前两个目录项描述与父目录的的关系。FAT32文件系统下建立和删除文件实例建立文件假设现在有一个子目录，名字为“子目录1”，我们要在其下建立一个文件“文件1.txt”，簇大小为4096字节，文件大小为5000字节。

操作步骤删除文件

删除前面建立的“子目录1\文件1.txt”

操作步骤NTFS文件系统概述概述：NTFS与以前的FAT文件系统完全不同，它采取了不同的方式对文件系统中的数据进行管理，甚至包括文件系统管理数据本身，NTFS文件系统将所有的数据都视为文件，通常在其他文件系统中被隐藏的管理数据在NTFS中也被存储在文件中。基本概念：MFT：即主文件表的简称，它是NTFS文件系统的核心。MFT由一个个的MFT项(

也称为文件记录)组成，每个MFT项占用1024字节的空间。属性：在NTFS中，所有与数据相关的信息都被称为“属性”，文件名属性、时间

日期属性、甚至文件内容被称为“数据属性”。NTFS元文件：NTFS文件系统被创建时，会同时建立一些重要的系统信息。这些

系统信息也全是以文件的形式存在，被称为元文件。元文件的文件名都以

“$”符号开头，表示其为隐藏的系统文件，用户不可直接访问。NTFS文件系统总体布局用户数据MFT区用户数据用户数据引导区(通常16个扇区)MFT部分记录的备份DBR备份(1个扇区)NTFS文件系统的主文件表MFT概述格式化成NTFS文件系统式，就在其中建立了一个主文件表MFT，其中包含16个元文件的文件记录。主文件表MFT由一个个的MFT项组成，每个MFT项实际上就是一个文件记录，其中用各种属性记录着该文件或目录的各种信息。Microsoft的所有版本中每个MFT项都是用1024字节的大小。主文件表项MFT头：MFT项前部为一个包含几十个字节的具有固定的大小和结构的MFT头。属性列表：MFT项除了MFT头以外的剩余字节为属性列表，用于存放各种属性。MFT属性MFT属性：每个MFT项的大小为1024字节，分为两个部分一部分MFT头，另一部分为属性列表。属性分为常驻属性和非常驻属性：常驻属性：有的属性属性内容很小，它的MFT项可以容纳下它的全部内容，为节省空

间系统会直接将其存放在MFT项中，不再为其另外分配簇空间，这样的属性

称为常驻属性。非常驻属性：非常驻属性是指那些内容较大，无法完全存放在起MFT项中的属性，如文

件的数据属性，通常内容较大，需要在MFT外另外分配簇空间进行存储，这

样的属性就是非常驻属性。MFT属性的组成：属性有很多类型，每种类型的属性都有自己的内部结构，其大体结构都可以分成两个部分：属性头和属性内容。属性头：用以说明该属性的类型、大小和名字，同时还包含压缩和加密标志。常驻属性和非常驻属性的属性头结构不同。属性内容：实际的属性内容，属性内容有不同的格式和大小。MFT属性-常规属性类型标准信息属性：$STANDARD_INFORMATION，存储时间、所有权和安全信息；文件名属性：$FILE_NAME，存储文件名、文件大小、时间信息；数据属性：$DATA，存储文件内容；属性列表属性：$ATTRIBUTE_LIST，存储文件或目录的全部属性；索引根目录：$INDEX_ROOT，包含存储在其中读、的文件或子目录的相关信息；索引分配属性：$INDEX_ALLOCATION，当目录较大时，存储它的索引项；位图属性：$BITMAP，用于描述索引或$MFT的分配情况；NTFS文件系统元文件创建一个NTFS文件系统是，就会在其中建立一些用于文件系统管理的元数据文件，部分元数据文件介绍如下：$MFT文件：主文件表文件。我们访问一个MFT项时，就是访问$MFT文件中某个文件记录。$MFTMirr文件：MFT前几个MFT项的备份。$LogFile文件：日志文件。$Volume文件：卷文件。$AttrDef文件：属性定义列表文件，定义每种属性属性的名字和类型$Root文件：根目录文件$Bitmap文件：位图文件，它的数据属性的每个bit对应文件系统中的一个簇，用以描述簇的分配

情况。$Boot文件：引导文件。$Secure文件：安全文件。$UsnJrnl文件：变更日志文件。$Quota文件：配额管理文件。$Objld文件：对象ID文件。NTFS文件系统中建立、删除文件实例建立文件我们要建立一个文件“\子目录1\file.txt”，假设目录“子目录1”已经存在于根目录下。要建立的文件大小为7000个字节，每簇大小为4096个字节。

操作步骤删除文件删除“\子目录1\file.txt”

操作步骤附录1FAT32系统下建立文件步骤1：读取引导扇区，根据引导扇区中的信息定位FAT表、数据区和根目录的位置。步骤2：查看根目录下的每个目录项，寻找名字为“子目录1”且具有目录属性的目录项。找到后，查看它的起始簇号，为3。步骤3：读取子目录1的起始簇的内容，查看每个目录项，直到直到一个未分配的目录项步骤4：找到可用项后写入文件名“文件1.txt”，并将文件大小和当前时间写入相应的位置步骤5：为文件内容分配簇空间，找到FAT分配表，寻找空闲的位置。发现4号FAT表项未使用，这说明4号簇时空闲的。将4号簇分配给文件，并在4号簇的FAT表项内写入结束标记。步骤6：将簇号4写入文件目录项的起始簇号区域。将文件的前4096字节写入到4号簇中，还剩余904字节，还要需要再为其分配一个簇。步骤7：再FAT表中继续寻找未分配簇，找到5号簇为空闲未使用。步骤8：将文件第一簇的FAT表项值改写为5，将文件的最后904字节写入5号簇。步骤9：再5号簇的FAT表项内写入结束标记。附录2FAT32系统下删除文件步骤1：读取引导扇区，根据其中的信息定位FAT表、数据区和个目录的位置步骤2：再个目下寻找到名字为“子目录1”且具有目录属性的目录项步骤3：有“子目录1”的目录项中获得它的起始簇号为3，到3号簇查看“子目1”的内容，从中找到文件“文件1.txt”的目录项，提取出它的起始簇，

为4号簇。步骤4：到FAT表中找到该文件的簇链，确定他的存储为4号簇和5号簇。步骤5：将4号簇和5号簇的FAT项设置为0.步骤6：将文件“文件1.txt”的目录项第一个字节改为0xE5。附录3NTFS文件系统下建立文件步骤1：读取文件系的引导扇区，获取簇大小、MFT起始位置以及每个MFT项的大小。步骤2：读取第一个MFT项，即$MFT文件的MFT项，由它的$DATA属性获取其他MFT的位置。步骤3：首先为准备新建的文件建立MFT项——访问$MFT文件的$BITMAP属性，找到一个未分

配的项。第一个空闲项为400号，把它分配给新文件并将$BITMAP中的相应位设置为1步骤4：初始化MFT项——跳转到400号MFT项的位置，将其中的内容清楚。建立标准信息属性($STANDARD_INFORMATION)和文件名属性($FILE_NAME)，时间值设置为当前时间

。在MFT项头中设置使用中标记。步骤5：从使用6号MFT项的$Bitmap文件中为文件的$DATA属性寻找并分配两个簇。使用最佳

分配策略找到两个连续的空闲簇722和723号簇，将其相应的bit设置为1。将文件内容写

入簇中，更新$DATA属性中的簇地址。修改了MFT项所以更新文件的最后修改时间值步骤6：下一步为其添加文件名项。访问使用5号MFT项的根目录，定位“子目录1”。读取索引

根属性($INDEX_ROOT)和索引分配属性($INDEX_ALLOCATION)，在倒置树中分类寻找，找到“子目录1”的索引项，它的MFT项地址为200，更新目录的最后访问时间。步骤7：跳转到200号MFT项访问它的索引根属性($INDEX_ROOT)，寻找将为file.txt分配的空间

。为其建立一个新的索引项重新对倒置树进行分类。新索引项的文件参考号地址是400

号MFT项。设置相应的时间值和标志更新目录的最后写入、最后修改、最后访问时间值步骤8：在前面的每一步中，在文件系统日志中建立项并将改变记入\$Extend\$UsrJrnl。如

果设置了配额管理，新文件的大小将记入用户的配额中($Extend\$Quota)。附录4