文件系统要实现“长期存储数据、高效管理文件”的目标，需要在外存（如硬盘、U盘） 和内存中划分出功能明确的区域，这些区域按固定逻辑组织，共同构成文件系统的全局结构。外存结构是数据长期存放的“物理基础”，内存结构则是为了减少外存I/O开销、提升访问效率的“临时缓存层”，二者协同工作保障文件系统稳定运行。

一、文件系统在外存中的结构

外存被格式化为某类文件系统（如EXT4、NTFS）后，会被划分为多个连续的“分区”，每个分区内的文件系统结构固定，从外存起始位置到末尾依次包含以下核心区域，各区域职责清晰且不可混淆：

1. 引导块（Boot Block）

引导块是外存分区的第一个物理块，仅在包含操作系统的“系统分区”中有效（如电脑的C盘）。它的核心作用是存储“引导程序”——当计算机开机时，BIOS会读取引导块中的引导程序，由引导程序加载分区内的操作系统内核（如Windows的ntoskrnl.exe、Linux的vmlinuz）。若分区仅用于存储文件（如D盘），引导块会被标记为“空”，不存储引导程序。

2. 超级块（Super Block）

超级块是文件系统的“全局控制中心”，紧接在引导块之后，存储整个文件系统的全局元数据，操作系统通过超级块就能了解文件系统的整体状态。其包含的关键信息有：文件系统类型（如EXT4、NTFS）、外存分区的总物理块数、空闲物理块数、已使用物理块数、inode总数量、空闲inode数量、超级块的备份位置（防止原超级块损坏导致文件系统崩溃）、块大小（如4KB、8KB）等。无论访问哪个文件或目录，操作系统都会先读取超级块，确认文件系统的基本参数后再执行后续操作。

3. 索引节点区（inode Area）

索引节点区是“inode的集中存储区”，位于超级块之后，所有文件和目录的inode都固定存放在这里。每个inode对应一个文件或目录，存储其元数据（如文件类型、权限、时间戳、数据块指针），且每个inode有唯一的编号。例如，EXT4文件系统格式化时，会按分区大小分配固定比例的空间给索引节点区，确保有足够的inode供后续创建的文件和目录使用；若inode区被用完，即使外存还有空闲数据块，也无法创建新文件。

4. 数据区（Data Area）

数据区是外存中面积最大的区域，用于存储文件的实际数据和目录数据，是文件系统的“数据仓库”。它被划分为多个大小相等的“物理块”（与超级块中记录的“块大小”一致），文件数据和目录数据都以“块”为单位存储：

  • 存储文件数据时：操作系统根据文件inode中的“数据块指针”，将文件数据分散或连续存放在数据区的物理块中（对应文件的物理结构，如连续分配、索引分配）；
  • 存储目录数据时：目录作为“特殊文件”，其数据块中存储的是“目录项”——每个目录项包含“文件名”和“对应inode编号”的映射（如目录/home的数据块中，会有“alice-100”“bob-101”这样的条目，分别对应用户alice和bob目录的inode）。
二、文件系统在内存中的结构

外存的访问速度远慢于内存（硬盘访问延迟约毫秒级，内存约纳秒级），若每次操作文件都直接读写外存结构，效率会极低。因此，操作系统会将外存结构中常用的关键部分加载到内存，形成内存中的文件系统结构，核心目的是“减少外存I/O次数，提升访问效率”，主要包含以下部分：

1. 超级块副本（Super Block Cache）

操作系统会将外存超级块的内容完整复制到内存中，形成超级块副本。后续访问文件系统时，直接读取内存中的超级块副本，无需每次都读外存超级块；当文件系统状态变化（如创建文件导致空闲inode减少）时，操作系统会先更新内存中的超级块副本，再在合适的时机（如文件系统卸载、定期同步）将副本内容写回外存超级块，确保内外存数据一致。

2. 索引节点缓存（inode Cache）

操作系统会将“最近访问过的inode”加载到内存中的inode缓存，避免每次访问文件都读外存的索引节点区。例如，用户连续编辑note.txt文件时，第一次访问会读外存inode区加载其inode到缓存，后续访问直接从缓存获取inode信息（如数据块指针），大幅减少外存I/O。当缓存空间不足时，操作系统会按“LRU（最近最少使用）”策略淘汰长期未访问的inode，为新inode腾出空间。

3. 目录缓存（Directory Cache）

目录缓存与inode缓存类似，用于存储“最近访问过的目录数据块”。访问目录（如查看/home下的文件列表）时，第一次会读外存数据区的目录数据块，加载到目录缓存；后续再访问该目录，直接从缓存读取“文件名-inode编号”的映射，无需再读外存。例如，用户频繁使用ls /home命令查看目录内容时，目录缓存能让每次查看都快速响应。

4. 空闲块管理结构副本

外存中会用“位图”或“空闲块链”记录空闲物理块（后续小节会详细讲解），操作系统会将这些空闲块管理结构的副本加载到内存中。当需要分配新物理块（如创建文件）或释放物理块（如删除文件）时，直接操作内存中的副本，再定期同步回外存，避免频繁读写外存导致效率低下。

综上，文件系统的全局结构是“外存固定存储+内存临时缓存”的组合：外存结构保障数据长期有序存放，是文件系统的基础；内存结构通过缓存常用数据，大幅提升文件访问效率，二者共同让文件系统既稳定又高效。