第7章笔记：文件系统：名字、块与崩溃一致性

本章问题

从路径名走到inode、缓存、分配和日志恢复。 本章不是七个术语的并列清单，而是一条从可观察现象到内部状态、从内部状态到工程证据的因果链。学习时始终标出对象身份、队列或表项、触发事件、权限边界和不可破坏的不变量。

七节机制连接

• 文件抽象与打开文件表：文件描述符索引进程表项，系统打开文件项保存偏移与状态，并引用内存inode/vnode；实验入口为同一文件先open两次再dup一次，推演三描述符是否共享偏移和引用计数；反查边界是路径名不是打开后的唯一身份；unlink后已有打开引用仍可继续访问。
• 目录、路径解析与链接：路径逐分量查目录项到inode；硬链接共享inode，符号链接保存另一条路径；实验入口为创建a、a的硬链接b和符号链接c，执行rename与unlink后逐项判断可访问性；反查边界是硬链接计数不等于打开引用数；符号链接可跨文件系统也可能形成环。
• 文件分配与索引结构：连续、链式和索引分配在随机访问、扩展、碎片与元数据开销之间权衡；实验入口为用直接、一级间接和二级间接指针计算给定块大小下最大文件和访问次数；反查边界是索引块容量要扣除指针宽度与格式开销；稀疏文件的逻辑大小不等于占用块数。
• 空闲空间与块布局：位图适合批量找连续块，空闲链简单却不利于连续分配；局部性影响后续I/O；实验入口为对32块位图执行分配释放并输出最长连续空闲区，比较只看空闲总数的错误；反查边界是元数据本身也要持久化与校验；位图更新和数据写入顺序影响崩溃状态。
• 页缓存、写回与一致性：读写通常先命中页缓存，脏页异步写回；fsync只在具体对象和设备语义下提供持久化边界；实验入口为模拟写临时文件、fsync文件、rename、fsync目录的原子替换序列，逐崩溃点判断可能结果；反查边界是write成功通常只表示数据进入内核缓存，不等于已经稳定落盘。
• 实验：inode索引容量：按块大小、指针宽度和直接/间接层数计算可寻址数据块与最大文件字节数；实验入口为输入块大小、指针字节、直接指针数和间接级数，输出最大数据块数；反查边界是每级间接是扇出乘法，索引块自身不计入文件数据块但占存储空间。
• 实验：崩溃写序列判定：用有限状态机枚举数据块、inode、目录项和日志提交的持久化顺序；实验入口为输入若干写入事件与崩溃位置，输出文件OLD、NEW、MISSING或INCONSISTENT；反查边界是模型必须声明缓存与写屏障假设；真实设备可能重排，不能靠源码顺序推断落盘顺序。

请给七节画依赖箭头：前一节留下的状态或接口怎样成为下一节输入？每条箭头补单位、事件或保护条件。若任何一节可以随意搬走且不影响上下文，说明你还没有建立章内联系。

章内实验

选择本章至少一个代码实验，从空环境运行全部内联测试，再新增一个资源耗尽、非法迁移、同刻事件或崩溃输入。保存输入、输出、参考模型、首个偏差和修复后的回归证据。不可复现的睡眠竞态或人工截图不算实验结果。

错题闭环

把错误编码为对象混淆、状态跳步、单位错误、队列顺序、竞态遗漏、权限越界或恢复假设。不要只写粗心。一周后更换数字和事件顺序重做阶段卷；能在新输入下重建机制而非记住答案，才算迁移成功。