文件系统练习题

本章包含文件系统相关的练习题，涵盖文件系统基本概念、文件属性、目录结构、分配方式、访问控制和文件系统类型等内容。

基础概念题

1. 文件系统的主要功能

题目：简述文件系统的主要功能，并说明每个功能的作用。

答案： 文件系统的主要功能包括：

1. 存储空间管理：分配和回收存储空间，管理空闲空间，处理存储碎片
2. 文件组织与命名：提供文件命名机制，组织文件的层次结构，管理文件的元数据
3. 文件访问控制：提供文件的读写接口，实现文件的访问权限控制，确保文件的安全性
4. 数据持久化：确保数据的持久存储，提供数据备份和恢复功能，处理系统崩溃时的数据一致性

2. 文件属性的重要性

题目：说明文件属性的作用，并列举至少 5 个重要的文件属性。

答案： 文件属性的作用：

• 提供文件的完整描述信息
• 支持文件管理和访问控制
• 便于文件系统优化和性能提升

重要文件属性：

1. 文件名：用户识别和访问文件的标识符
2. 文件大小：文件包含的数据字节数
3. 文件类型：普通文件、目录文件、设备文件等
4. 创建时间：文件首次创建的时间戳
5. 修改时间：文件内容最后一次被修改的时间
6. 访问时间：文件最后一次被访问的时间
7. 所有者：文件的创建者或当前所有者
8. 权限：读、写、执行权限设置

目录结构题

3. 目录结构类型比较

题目：比较单级目录结构、两级目录结构和树形目录结构的优缺点。

答案：

4. 路径解析算法

题目：设计一个算法来解析绝对路径，并说明其时间复杂度。

答案：

struct directory_node* resolve_path(const char* path) {
    if (path[0] != '/') return NULL;  // 必须是绝对路径

    struct directory_node* current = root_directory;
    char* path_copy = strdup(path);
    char* token = strtok(path_copy, "/");

    while (token != NULL) {
        if (current->type != DIRECTORY) {
            free(path_copy);
            return NULL;  // 当前节点不是目录
        }

        struct directory_node* next = find_child(current, token);
        if (next == NULL) {
            free(path_copy);
            return NULL;  // 找不到下一个组件
        }

        current = next;
        token = strtok(NULL, "/");
    }

    free(path_copy);
    return current;
}

时间复杂度：O(n)，其中 n 是路径中的组件数量。

文件分配题

5. 分配算法实现

题目：实现首次适应算法（First Fit）来分配连续存储空间。

答案：

int first_fit_allocate(int file_size, int block_size) {
    int blocks_needed = (file_size + block_size - 1) / block_size;
    int consecutive_blocks = 0;
    int start_block = -1;

    for (int i = 0; i < TOTAL_BLOCKS; i++) {
        if (is_block_free(i)) {
            if (consecutive_blocks == 0) {
                start_block = i;
            }
            consecutive_blocks++;

            if (consecutive_blocks >= blocks_needed) {
                // 找到足够的连续块
                mark_blocks_used(start_block, blocks_needed);
                return start_block;
            }
        } else {
            consecutive_blocks = 0;
        }
    }

    return -1;  // 没有找到足够的连续空间
}

6. 文件分配方式比较

题目：比较连续分配、链接分配和索引分配的优缺点。

答案：

连续分配：

• 优点：顺序访问快、实现简单、随机访问快
• 缺点：外部碎片、预分配问题、扩展困难

链接分配：

• 优点：无外部碎片、动态扩展、空间利用率高
• 缺点：随机访问慢、可靠性差、空间开销

索引分配：

• 优点：随机访问快、无外部碎片、支持大文件
• 缺点：空间开销、实现复杂、索引块限制

访问控制题

7. DAC 权限检查

题目：实现 DAC（自主访问控制）权限检查函数。

答案：

int check_dac_permission(const char* file_path, int user_id, int operation) {
    struct file_dac* dac = get_file_dac(file_path);
    if (dac == NULL) return 0;

    // 获取用户信息
    struct user_info* user = get_user_info(user_id);
    if (user == NULL) return 0;

    // 检查是否为所有者
    if (user_id == dac->owner_id) {
        switch (operation) {
            case READ_OP:
                return dac->permissions.owner_read;
            case WRITE_OP:
                return dac->permissions.owner_write;
            case EXECUTE_OP:
                return dac->permissions.owner_execute;
            default:
                return 0;
        }
    }

    // 检查是否为组成员
    if (is_user_in_group(user_id, dac->group_id)) {
        switch (operation) {
            case READ_OP:
                return dac->permissions.group_read;
            case WRITE_OP:
                return dac->permissions.group_write;
            case EXECUTE_OP:
                return dac->permissions.group_execute;
            default:
                return 0;
        }
    }

    // 其他用户权限
    switch (operation) {
        case READ_OP:
            return dac->permissions.other_read;
        case WRITE_OP:
            return dac->permissions.other_write;
        case EXECUTE_OP:
            return dac->permissions.other_execute;
        default:
            return 0;
    }
}

8. 文件加密实现

题目：实现基本的文件加密功能。

答案：

int encrypt_file(const char* file_path, const char* password) {
    // 生成密钥
    unsigned char key[32];
    generate_key_from_password(password, key, 32);

    // 生成初始化向量
    unsigned char iv[16];
    generate_random_iv(iv, 16);

    // 读取文件内容
    char* file_content = read_file_content(file_path);
    int content_length = strlen(file_content);

    // 加密文件内容
    char* encrypted_content = malloc(content_length + 16);
    int encrypted_length = encrypt_aes256(file_content, content_length, key, iv, encrypted_content);

    // 保存加密信息
    struct file_encryption* enc_info = malloc(sizeof(struct file_encryption));
    enc_info->algorithm = AES256;
    hash_key(key, 32, enc_info->key_hash);
    enc_info->key_length = 32;
    memcpy(enc_info->iv, iv, 16);

    // 写入加密文件
    write_encrypted_file(file_path, encrypted_content, encrypted_length, enc_info);

    free(file_content);
    free(encrypted_content);
    free(enc_info);

    return 0;
}

文件系统类型题

9. FAT 文件系统分析

题目：分析 FAT 文件系统的结构，并说明其优缺点。

答案：

FAT 文件系统结构：

• 引导扇区：包含文件系统基本信息
• FAT 表：存储文件分配信息
• 根目录：存储文件和目录项
• 数据区：存储实际文件数据

优点：

• 简单性：结构简单，易于理解和实现
• 兼容性：几乎所有操作系统都支持
• 轻量级：系统开销小，适合嵌入式系统

缺点：

• 性能限制：大文件访问效率低
• 空间浪费：簇大小固定，小文件浪费空间
• 碎片问题：容易产生文件碎片
• 功能有限：不支持高级特性

10. NTFS 高级特性

题目：列举 NTFS 文件系统的高级特性，并说明其作用。

答案：

NTFS 高级特性：

1. 日志功能：

   • 作用：保证数据一致性，快速恢复
   • 实现：记录文件系统操作到日志文件

2. 压缩功能：

   • 作用：节省存储空间
   • 实现：透明压缩文件数据

3. 加密功能：

   • 作用：保护文件安全
   • 实现：使用 EFS（加密文件系统）

4. 权限控制：

   • 作用：细粒度访问控制
   • 实现：ACL（访问控制列表）

5. 磁盘配额：

   • 作用：限制用户存储空间
   • 实现：跟踪用户文件使用情况

综合应用题

11. 文件系统设计

题目：设计一个简单的文件系统，支持基本的文件操作。

答案：

// 文件系统结构
struct simple_fs {
    struct super_block super;      // 超级块
    struct inode* inode_table;     // inode表
    char* data_blocks;            // 数据块
    int free_blocks_count;        // 空闲块数
};

// 文件操作函数
int fs_create_file(const char* name, int size) {
    // 1. 分配inode
    int inode_num = allocate_inode();
    if (inode_num == -1) return -1;

    // 2. 分配数据块
    int blocks_needed = (size + BLOCK_SIZE - 1) / BLOCK_SIZE;
    int* block_numbers = allocate_blocks(blocks_needed);
    if (block_numbers == NULL) {
        free_inode(inode_num);
        return -1;
    }

    // 3. 初始化inode
    struct inode* inode = &fs.inode_table[inode_num];
    strcpy(inode->name, name);
    inode->size = size;
    inode->block_count = blocks_needed;
    memcpy(inode->block_numbers, block_numbers, blocks_needed * sizeof(int));

    free(block_numbers);
    return inode_num;
}

int fs_read_file(int inode_num, char* buffer, int offset, int size) {
    struct inode* inode = &fs.inode_table[inode_num];
    if (offset >= inode->size) return 0;
    if (offset + size > inode->size) {
        size = inode->size - offset;
    }

    int start_block = offset / BLOCK_SIZE;
    int end_block = (offset + size - 1) / BLOCK_SIZE;
    int bytes_read = 0;

    for (int block = start_block; block <= end_block; block++) {
        int block_number = inode->block_numbers[block];
        int block_offset = (block == start_block) ? (offset % BLOCK_SIZE) : 0;
        int bytes_to_read = min(BLOCK_SIZE - block_offset, size - bytes_read);

        memcpy(buffer + bytes_read,
               fs.data_blocks + block_number * BLOCK_SIZE + block_offset,
               bytes_to_read);
        bytes_read += bytes_to_read;
    }

    return bytes_read;
}

12. 性能优化分析

题目：分析文件系统性能优化的方法，并说明其效果。

答案：

文件系统性能优化方法：

1. 缓存优化：

   • 方法：使用内存缓存减少磁盘 I/O
   • 效果：显著提高读取性能

2. 预读机制：

   • 方法：预测性读取后续数据
   • 效果：提高顺序访问性能

3. 写缓冲：

   • 方法：延迟写入，批量处理
   • 效果：提高写入性能，但可能影响一致性

4. 索引优化：

   • 方法：使用 B 树等高效索引结构
   • 效果：提高随机访问性能

5. 压缩技术：

   • 方法：透明压缩文件数据
   • 效果：节省存储空间，可能影响 I/O 性能

6. RAID 技术：

   • 方法：并行访问多个磁盘
   • 效果：提高 I/O 吞吐量

总结

这些练习题涵盖了文件系统的核心概念和实际应用。通过练习，可以加深对文件系统工作原理的理解，提高系统设计和问题解决能力。

在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的文件系统类型和优化策略，平衡性能、可靠性和功能需求。