老 UNIX 文件系统的问题
老 UNIX 文件系统将磁盘视为随机存取内存，未考虑磁盘定位成本，导致性能极差（仅提供总磁盘带宽的 2%）。主要问题包括：
- 数据分散：文件数据块与 inode 距离远，读取时会产生昂贵的寻道开销。
- 碎片化 (Fragmentation)：空闲空间缺乏管理，文件数据在磁盘上不连续。
- 块大小过小：512 字节的原始块大小导致数据传输效率低下。
FFS 的核心理念：磁盘意识
伯克利团队开发的快速文件系统 (Fast File System, FFS) 引入了“磁盘意识”，在保持原有 API 接口（如 open(), read(), write()）不变的前提下，通过改变内部结构和分配策略来提升性能。
组织结构：柱面组 (Cylinder Group)
FFS 将磁盘划分为多个柱面组（现代文件系统如 ext2/ext3 称为块组）。通过将相关文件放置在同一组中，避免长距离寻道。
每个柱面组包含：
- 超级块副本：用于容灾，若主超级块损坏仍可挂载文件系统。
- inode 位图 (ib) 和数据位图 (db)：记录组内 inode 和数据块的分配状态，便于寻找大块连续可用空间。
- inode 区域与数据块区域。
分配策略
FFS 的核心分配原则是“相关的数据放一起，无关的数据分开放”。
- 目录分配：选择已分配目录少且空闲 inode 多的柱面组，以平衡跨组的目录分布并为后续文件分配预留空间。
- 文件分配：
- 将文件的数据块与其 inode 分配在同一个柱面组中。
- 将同一目录下的所有文件分配在同一个柱面组中。
大文件例外策略
若不加限制，大文件会填满整个块组，破坏其他相关文件的局部性。FFS 采用以下策略处理大文件：
- 前 12 个直接块与 inode 放在同一组。
- 后续的每个间接块及其指向的数据块，分配到不同的块组中。
- 摊销 (Amortization)：通过增加每次寻道后传输的大块大小（如 4MB），确保大部分时间用于数据传输而非寻道，从而逼近磁盘的峰值带宽。
FFS 的其他优化与改进
- 子块 (Sub-block)：为解决 4KB 块存储小文件带来的内部碎片问题，FFS 引入 512 字节的子块。结合 libc 的写缓冲机制，兼顾了空间效率与 I/O 性能。
- 参数化布局：针对早期磁盘，FFS 通过跳跃式扇区布局（交错布局）避免连续读取时的额外旋转延迟（现代磁盘已通过内部的磁道缓冲区解决此问题）。
- 可用性改进：引入长文件名、符号链接（可跨卷、可指向目录）以及原子化的
rename()操作，极大提升了系统的可用性。