1. 文件的属性
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文件名，用户自定义的文件名，同一目录下不允许有重名文件
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标识符，操作系统用于区分各个文件的一种内部名称
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类型，文件的类型
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位置，文件存放的路径（用户可见使用）、在外存中的地址（操作系统使用）
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大小，文件的大小
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保护信息，对文件进行保护的访问控制信息
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结构
- 无结构文件，由一系列二进制或字符流组成
- 有结构文件
2. 操作系统提供的文件基本功能
- 创建文件（create系统调用）
- 删除文件（delete系统调用）
- 读文件（read系统调用）
- 写文件（write系统调用）
- 打开文件（open系统调用）
- 关闭文件（close系统调用）
3. 文件的逻辑结构
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无结构文件
- 文件内部的数据就是一系列二进制流或字符流组成，又称“流式文件”，如：Windows操作系统中的.txt文件
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有结构文件
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由一组相似的记录组成，又称“记录式文件”，如：数据库表文件
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每个记录又若干个数据项组成，每条记录有一个数据项可作为关键字（用于识别不同的记录）
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根据每条记录的长度（占有的存储空间）是否相等，又可分为定长记录和可变长记录两种
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逻辑结构
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顺序文件
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文件中的记录一个接一个地顺序排列（逻辑上），记录可以是定长的或可变长的
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各个记录在物理上可以顺序存储或链式存储
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串结构，记录之间的顺序与关键字无关
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顺序结构，记录之间的顺序按关键字顺序排列
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链式存储
- 无论是定长或者是可变长记录，都无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找
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顺序存储
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可变长记录
- 无法实现随机存取，每次只能从第一个记录开始依次往后查找
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定长记录
- 可实现随机存储，记录长度为L，则第i个记录存放的相对位置是i*L
- 采用串结构，无法快速找到某关键字的对应的记录
- 采用顺序结构，可以快速找到某关键字对应的记录（如折半查找）
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索引文件
- 建立一张索引表以加快文件的检索速度，每条记录对应一个索引项
- 索引表本身是定长记录的顺序文件，可以快速找到第i个记录对应的索引项
- 可将关键字作为索引号内容，若按关键字顺序排列，可以支持按照关键字折半查找
- 用于对信息处理的及时性要求比较高的场合
- 可以用不同的数据项建立多个索引表
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索引顺序文件
- 索引文件和顺序文件思想的结合
- 建立一张索引表，一组记录对应一个索引表项
- 索引顺序文件的索引项不需要关键字顺序排列，可以提升新表项插入的速度
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多级索引顺序文件
- 建立多级索引表，提高检索效率
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4. 文件目录
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文件控制块
- 目录文件中的一条记录就是一个“文件控制块（FCB）”
- FCB的有序集合称为“文件目录”，一个FCB就是一个文件目录项
- FCB中的最重要、最基本的是文件名、文件存放的物理地址
- FCB中包含了文件的基本信息（文件名、物理地址、逻辑结构、物理结构等），存取控制信息（是否可读/可写、禁止访问的用户名单等），使用信息（如文件的建立时间、修改时间等）
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目录结构
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单级目录结构
- 整个系统中只建立一张目录表，每个文件占一个目录项
- 单级目录实现了“按名存取”，但是不允许文件重名
- 创建文件时，先检查目录表是否存在重名文件，确定不重名后才能允许建立文件，并将新文件对应的目录项插入到目录表中
- 不适用于多用户操作系统
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两级目录结构
- 分主文件目录（MFD）和用户文件目录（UFD）
- 主文件目录记录用户名及相应用户文件目录的存放地址
- 用户文件目录由该用户的文件FCB组成
- 允许不同用户的文件重名
- 可以在目录上实现访问控制
- 用户不能对自己的文件进行自定义分类
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多级目录结构
- 又称树形目录结构
- 用户访问某个文件时要用文件路径名标识文件，文件路径名时个字符串
- 各级目录之间用“/”隔开，从根目录出发的路径称为绝对路径
- 从当前目录出发称为“相对路径”，在Linux中，“.”表示当前目录
- 不便于实现文件的共享
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无环图目录结构
- 树形目录结构的基础上，增加一些指向同一节点的有向边，使整个目录成为一个有向无环图
- 可以方便地实现多个用户间的文件共享
- 可以用不同的文件名指向同一个文件，甚至可以指向同一个目录（共享同一目录下的所有内容）
- 设置每个共享节点设置一个共享计数器，用于记录此时有多少个地方在共享该结点。用户提出删除结点请求时，只是删除该用户的FCB，并使共享计数器减1，并不会直接删除共享结点。只有共享计数器减为0时，才删除结点
- 共享文件不同于复制文件，在共享文件，由于各用户指向的是同一个文件，文件数据一旦被修改，所有用户都可以看到文件数据的变化
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索引结点
- 文件控制块（FCB）的简化改进
- 除了文件名之后的所有信息都放到索引结点中，每个文件对应一个索引结点
- 目录项中只包含文件名、索引结点指针，每个目录项的长度大幅减小，磁盘块可以存储更多个目录项，检索文件时磁盘的I/O的次数就会减少
5. 文件的物理结构
- 磁盘中的存储单元会被分为“块/磁盘块/物理块”，很多操作系统中，磁盘块的大小与内存块、页面的大小相同，有利于内存与磁盘之间的数据交换
- 在外存管理中，为了方便对文件数据的管理，文件的逻辑地址空间也被分为一个个的文件“块”，文件的逻辑地址表示为（逻辑块号，块内地址）的形式
- 操作系统以块为单位为文件分配存储空间
- 用户通过逻辑地址来操作自己的文件，操作系统要负责实现从逻辑地址到物理地址的映射
6. 文件分配方式
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连续分配
- 每个文件在磁盘中占用一组连续的块
- 文件目录中记录存放的起始块号和长度
- 操作系同可以直接算出逻辑块号对应的物理块号，连续分配支持顺序访问和直接访问（即随机访问）
- 连续分配的文件在顺序读/写时速度最快
- 物理上采用连续分配的文件不方便拓展
- 物理上采用连续分配，存储空间利用率低，会产生难以利用的磁盘碎片，可以耗费很大的事件代价用紧凑来处理碎片
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链接分配
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采取离散分配的方式，可以为文件分配离散的磁盘块，可分为隐式链接和显式链接两种
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隐式链接
- 文件目录中存储了起始块号和结束块号，或者增加一个字段来表示文件的长度
- 每个硬盘块中保存指向下一个盘块的指针，这些指针对用户时透明的
- 采用链式分配（隐式链接）方式，只支持顺序访问，不支持随机访问，查找效率低
- 每个磁盘块会耗费少量的空间存储指针
- 采用链式分配（隐式链接）方式，方便文件拓展，不会有碎片问题，外存利用率高
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显式链接
- 文件目录中只存储文件的起始块号
- 把用于链接文件各物理块中的指针显式地存放在一张表中，即文件分配表（FAT）
- 一个磁盘仅设置一张FAT，启动时，将FAT读入内存，并常驻内存
- FAT的各个表项在物理上连续存储，且每一个表项长度相同，因此“物理块号”字段可以是隐含的
- 采用链式分配（显式链接）方式，支持顺序访问，也支持随机访问，块号转换不需要访问磁盘，直接访问内存，查找效率较快
- 采用链式分配（显式链接）方式，文件分配表会占用内存
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索引分配
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采取离散分配地方式，系统会为每个文件建立一张索引表
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索引表记录了文件的各个逻辑块对应的物理块
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索引表存放的磁盘块称为索引块，文件数据存放的磁盘块称为数据块
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文件目录存储索引块的块号，通过索引块可以找到对应的物理块，从而实现文件逻辑块号到物理块号的转换
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支持随机访问，文件拓展也很容易实现（只需要给文件分配一个空闲块，并增加一个索引表项即可）
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索引表需要占用一定的存储空间
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文件太大，索引项不能使用一个硬盘块全量存入的解决方案
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链接方案
- 使用指针把索引块链接起来，文件目录存储第一个索引块
- 磁盘I/O次数过多，查找效率低下，找第i号索引块，必须先读入0~i-1号索引块
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多级索引
- 建立多层索引，是第一层索引块指向第二层索引块，文件目录存储顶级索引表
- 采用K层索引结构，且顶级索引表未调入内存，则访问一个数据块需要K+1次读盘操作
- 即便小文件，访问一个数据块依然需要K+1次读磁盘
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混合索引
- 顶级索引表中包含直接地址索引（直接指向内存块），又包含一级间接索引（指向单层索引表）、还包含两级间接索引（指向两层索引表），文件目录存储顶级索引表
- 对于小文件，访问一个数据块所需的读磁盘次数更少
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7. 文件存储空间管理
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存储空间的划分与初始化
- 存储空间的划分，将物理磁盘划分为一个个文件卷（逻辑卷、逻辑盘）
- 存储空间的初始化，将文件卷划分为目录区、文件区，目录区主要存放文件目录（FCB），文件区存放文件数据
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存储空间管理
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空闲表法
- 适用于“连续分配方式”
- 分配连续的存储空间，可采用首次适应、最佳适应、最坏适应的算法决定为文件分配区间
- 回收时需要注意表项的合并问题
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空闲链表法
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空闲盘块链
- 以盘块为单位组成一条空闲链，操作系统保存着链头、链尾指针
- 分配空间时，从链头开始依次进行盘块分配，并修改空闲链的链头指针
- 回收空间时，回收的盘块依次挂到链尾，并修改空闲链的链尾指针
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空闲盘区链
- 以盘区为单位组成一条空闲链，操作系统保存着链头、链尾指针
- 分配空间，可采用首次适应、最佳适应等算法，从链头开始检索，按照算法规则找到适合的空闲盘区分配给文件
- 回收空间时，回收区和空闲盘区相邻，则需要将回收区合并到空闲盘区中，若回收区没有和任何空闲区相邻，将回收区作为单独的一个空闲盘区挂到盘尾
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位示图法
- 每个二进制位对应一个盘块
- 分配空间，顺序扫描位示图，找到位标识为空闲的连续或不连续的盘块；根据字号，位号算出对应的盘块号，将相应盘块分配给文件；将相应位设置为已分配标识
- 回收空间，根据回收的盘块号计算出对应的字号、位号；将相应位设为空闲标识
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成组链接法
- UNIX采用的策略，适合大型文件系统
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8. 文件的基本操作
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创建文件
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create系统调用
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进行create系统调用，需要提供的主要参数
- 所需的外存空间大小
- 文件存放路径
- 文件名
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操作系统处理create系统调用时，主体流程
- 在外存中找到文件所需的空间
- 根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件，在目录中创建该文件对应的目录项
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删除文件
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delete系统调用
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进行delete系统调用，需要提供的主要参数
- 文件存放路径
- 文件名
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操作系统处理delete系统调用时，主体流程
- 从目录中找到文件名对应的目录项
- 根据目录项纪录的文件在外存的存放位置等信息，回收文件占用的磁盘块
- 从目录表中删除文件对应的目录项
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打开文件
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open系统调用
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进行open系统调用，需要提供的主要参数
- 文件存放路径
- 文件名
- 要对文件的操作类型（如：r只读；rw读写等）
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操作系统处理open系统调用时，主体流程
- 根据文件存放路径的信息找到该目录对应的目录文件，在目录中创建该文件对应的目录项，检查用户是否有指定的操作权限
- 将目录项复制到内存中的“打开文件表”中，返回对应表目的索引号（也称“文件描述符”），之后用户使用打开文件表的编号来指明要操作的文件
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打开文件表
- 每个进程有自己的打开文件表、系统中也有一张总的打开文件表
- 进程打开文件表中的特有属性，读写指针、访问权限（只读？读写？）
- 系统打开文件表中的特有属性，打开计数器（有多少个进程打开了多少该文件）
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关闭文件
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close系统调用
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进行close系统调用
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操作系统处理close系统调用时，主体流程
- 将进程的打开文件表相应表项删除
- 回收分配给该文件的内存空间等资源
- 系统打开文件表的打开计数器count减1，若conut=0，则删除对应表项
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读文件
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read系统调用
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进行read系统调用，需要提供的主要参数
- 打开文件表的索引号
- 指明读入的数据量
- 指明读入的数据放在内存中的位置
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操作系统处理close系统调用时，主体流程
- 从读指针指向外存中，将用户指定大小的数据读入用户指定的内存区域中
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写文件
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write系统调用
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进行write系统调用，需要提供的主要参数
- 提供文件在打开文件表中的索引号
- 指明写入的数据量
- 指明写入的数据放在内存中的位置
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操作系统处理write系统调用时，主体流程
- 从用户指定的内存区域中，将指定大小的数据写回写指针指向的外存
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9. 文件共享
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操作系统为用户提供文件共享功能，可以让多个用户共享地使用同一个文件
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基于索引结点的共享方式（硬链接）
- 索引结点中设置一个链接计数变量count，用于表示链接到本索引结点上的目录项数
- 当链接计数变量count>0的时候，还有别的用户要使用该文件，暂时不能把文件数据删除，否则会导致指针悬空
- 当链接计数变量count=0的时候，系统负责删除文件
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基于符号链的共享方式（软链接）
- 通过创建Link类型的文件，记录文件存放路径
- 即使软链接指向共享文件已被删除，Link型文件依然存在，只是通过Link型文件中的路径区查找共享文件会失败
- 访问共享文件时要查询多级目录，会有多次磁盘I/O，访问速度相对硬链接会较慢
10. 文件保护
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口令保护
- 口令存放在文件对应的FCB或索引结点中，用户访问校验的时候，会与FCB中存储的口令进行对比
- 保存口令的空间开销不多，验证口令的时间开销也很小
- 正确的“口令”存放在系统内部，不够安全
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加密保护
- 通过加密算法对文件进行加密，在访问文件时，需要提供正确的“密码”才能对文件进行正确的解密
- 保密性强，不需要在系统中存储“密码”
- 编码/译码，或者说加密/解密要花费一定时间
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访问控制
- 每个文件的FCB（或索引结点）增加一个访问控制列表（ACL），记录各个用户可以对该文件执行哪些操作
- 访问类型包含，读，写，执行，添加，删除，列表清单
- 精简的访问控制列表，简化访问控制列表，以“组”为单位，标记各“组”用户可以对文件执行哪些操作
- 实现灵活，可以实现复杂的文件保护功能
11. 文件系统的层次结构
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层次排序（从上至下）
- 用户接口->文件目录系统->存储控制模块->逻辑文件系统与文件信息缓冲区->物理文件分配模块->辅助分配模块，设备管理模块
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用户接口
- 文件系统需要向上层的用户提供一些简单易用的功能接口
- 用于处理用户发出的系统调用请求（Read、Write、Open、Close等系统调用）
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文件目录系统
- 根据用户给出的文件路径找到相应的FCB或索引结点
- 所有与目录、目录项相关的管理工作都在本层完成，如：管理活跃的文件目录表、管理打开文件表等
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存储控制模块
- 文件保护相关功能
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逻辑文件系统与文件信息缓冲区
- 将记录号转换为对应的逻辑地址
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物理文件分配模块
- 将上一层提供的文件逻辑地址转换为实际的物理地址
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辅助分配模块
- 负责文件存储空间的管理，负责分配和回收存储空间
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设备管理模块
- 直接与硬件交互，负责和硬件直接相关的一些管理工作，如：分配设备、分配设备缓冲区等
11. 总结
- 重点：文件的逻辑结构
- 重点：文件目录
- 重点：文件分配方式
- 重点：文件存储空间管理
- 重点：文件共享
- 请各位大佬发现错误，能指导菜鸟小弟
- 菜鸟也想努力进大厂，加油
