图解 | 原来这就是文件系统

你手里有一块硬盘，大小为 1T

 

你还有一堆文件

 

这些文件在硬盘看来，就是一堆二进制数据而已

 

你准备把这些文件存储在硬盘上，并在须要的时候读取出来。

要设计怎样的软件，才能更方便地在硬盘中读写这些文件呢？

1

首先我不想和复杂的扇区，设备驱动等细节打交道，所以我先实现了一个简单的功能，将硬盘按逻辑分红一个个的块，并能够以块为单位进行读写。

每一个块就定义为两个物理扇区的大小，即 1024 字节，就是 1KB 啦。

硬盘太大很差分析，咱们就假设你的硬盘只有 1MB，那么这块硬盘则有 1024 个块。

 

OK，咱们开始存文件啦！

准备一个文件

 

随便选个块放进去，3 号块吧！

 

成功！首战告捷！

2

再存一个文件！

诶？发现问题了，万一这个文件也存到了 3 号块，不是把原来的文件覆盖了么？不行，得有一个地方记录，如今可以使用的块有哪些，像这样。

块 0：未使用

块 1：未使用

块 2：未使用

块 3：已使用

块 4：未使用

...

块 1023：未使用

那咱们就用 0 号块，来记录全部块的使用状况吧！怎么记录呢？

位图！

 

那咱们给块 0 起个名字，叫块位图，以后这个块 0 就专门用来记录全部块的使用状况，再也不用来存具体文件了。

 

当咱们再存入一个新文件时，只须要在块位图中找到第一个为 0 的位，就能够找到第一个还未被使用的块，将文件存入。同时，别忘了把块位图中的相应位置 1。

完美！

3

下面，咱们尝试读取刚刚的文件。

咦？又遇到问题了，我怎么找到刚刚的文件呢？根据块号么？这也太蠢了，就像你去书店找书，店员让你提供书的编号，而不是书名，显然不合理。

所以咱们给每一个文件起一个名字，叫文件名，经过它来寻找这个文件。

那必然就要有一个地方，记录文件名与块号的对应关系，像这样。

葵花宝典.txt：3 号块

数学期末复习资料.mp4：5 号块

低并发编程的秘密.pdf：10 号块

...

别急，既然都要选一个地方记录文件名称了，不妨多记录一点咱们关心的信息吧，好比文件大小、文件建立时间、文件权限等。

这些东西天然也要保存在硬盘上，咱们选择用一个固定大小的空间，来表示这些信息，多大空间呢？128 字节吧。

为啥是 128 字节呢？我乐意。

 

咱们将这 128 字节的结构体，叫作一个 inode。

以后，咱们每存入一个新的文件，不但要占用一个块来存放这个文件自己，还要占用一个 inode 来存放文件的这些元信息，而且这个 inode 的所在块号这个字段，就指向这个文件所在的块号。

 

若是一个 inode 为 128 字节，那么一个块就能够容纳 8 个 inode，咱们能够将这些 inode 编上号。

 

若是你以为 inode 数不够，也能够用两个或者多个块来存放 inode 信息，但这样用于存放数据的块就少了，这就看你本身的平衡了。

 

一样，和块位图管理块的使用状况同样，咱们也须要一个 inode 位图，来管理 inode 的使用状况。咱们就把 inode 位图，放在 1 号块吧！

同时，咱们把 inode 信息，放在 2 号块，一共存 8 条 inode，这样咱们的 2 号块就叫作 inode 表。

如今，咱们的文件系统结构，变成了下面这个样子。

 

注意：块位图是管理可用的块，每一位表明一个块的使用与否。inode 位图管理的是一条一条的 inode，并非 inode 所占用的块，好比上图中有 8 条 inode，则 inode 位图中就有 8 位是管理他们的使用与否。

4

如今，咱们的文件很小，一个块就能容下。

但若是须要两个块、三个块、四个块呢？

很简单，咱们只须要采用连续存储法，而 inode 则只记录文件的第一个块，以及后面还须要多少块，便可。

这种办法的缺点就是：容易留下大大小小的空洞，新的文件到来之后，难以找到合适的空白块，空间会被浪费。

 

看来这种方式不行，那怎么办呢？

既然在 inode 中记录了文件所在的块号，为何不扩展一下，多记录几块呢？

 

原来在 inode 中只记录了一个块号，如今扩展一下，记录 8 个块号！并且这些块不须要连续。

 

嗯，这是个可行的办法！

可是这也仅仅能表示 8 个块，能记录的最大文件是 8K（记住，一个块是 1K）, 如今的文件轻松就超过这个限制了，这怎么办？

很简单，咱们可让其中一个块，做为间接索引。

 

这样瞬间就有 263 个块（多了 256 -1 个块）可用了，这种索引叫一级间接索引。

若是还嫌不够，就再弄一个块作一级间接索引，或者作二级间接索引（二级间接索引则能够多出 256 * 256 - 1 个块）。

咱们的文件系统，暂且先只弄一个一级间接索引。硬盘一共才 1024 个块，一个文件 263 个块够大了。再大了不容许，就这么任性。

好了，如今咱们已经能够保存很大的文件了，而且能够经过文件名和文件大小，将它们准确读取出来啦！

5

但咱们得精益求精，咱们再想一想看这个文件系统有什么毛病。

好比，inode 数量不够时，咱们是怎么得知的呢？是否是须要在 inode 位图中找，找不到了才知道不够用了？

一样，对于块数量不够时，也是如此。

要是有个全局的地方，来记录这一切，就行了，也方便随时调整，好比这样

inode 数量

空闲 inode 数量

块数量

空闲块数量

那咱们就再占用一个块来存储这些数据吧！因为他们看起来像是站在上帝视角来描述这个文件系统的，因此咱们把它放在最开始的块上，并把它叫作超级块，如今的布局以下。

 

咱们继续精益求精。

如今，块位图、inode 位图、inode 表，都是是固定地占据这块 一、块 二、块 3 这三个位置。

假如以后 inode 的数量不少，使得 inode 表或者 inode 位图须要占据多个块，怎么办？

或者，块的数量增多（硬盘自己大了，或者每一个块变小了），块位图须要占据多个块，怎么办？

程序是死的，你不告诉它哪一个块表示什么，它可不会本身猜。

很简单，与超级块记录信息同样，这些信息也选择一个块来记录，就不怕了。那咱们就选择紧跟在超级块后面的 1 号块来记录这些信息吧，并把它称之为块描述符。

 

固然，这些所在块号只是记录起始块号，块位图、inode 位图、inode 表分别均可以占用多个块。

好了，大功告成！

6

如今，咱们再尝试存入一批文件。

• 葵花宝典.txt
• 数学期末复习资料.mp4
• 赘婿1.mp4
• 赘婿2.mp4
• 赘婿3.mp4
• 赘婿4.mp4
• 低并发编程的秘密.pdf

诶？这看着好不爽，全部的文件都是平铺开的，能不能拥有层级关系呢？好比这样

• 葵花宝典.txt
• 数学期末复习资料.mp4
• 赘婿
• 赘婿1.mp4
• 赘婿2.mp4
• 赘婿3.mp4
• 赘婿4.mp4
• 低并发编程的秘密.pdf

咱们将葵花宝典.txt 这种称为普通文件，将赘婿这种称为目录文件，若是要访问赘婿1.mp4，那全文件名要写成

赘婿/赘婿1.mp4。

如何作到这一点呢？那咱们又得把 inode 结构拿出来讲事了。

 

此时须要一个属性来区分这个文件是普通文件，仍是目录文件。

缺什么就补什么嘛，咱们已经很熟悉了，专门加一个 4 字节，来表示文件类型。

 

若是是普通文件，则这个 inode 所指向的数据块仍然和以前同样，就是文件自己原封不动的内容。

但若是是目录文件，则这个 inode 所指向的数据块，就须要从新规划了。

这个数据块里应该是什么样子呢？能够是一个一个指向不一样 inode 的紧挨着的结构体，好比这样。

 

这样先经过 赘婿 这个目录文件，找到所在的数据块。再根据这个数据块里的一个个带有 inode 信息的结构体，找到这个目录下的全部文件。

完美！

7

不过这样的话，你想一想看，若是想要查看一下赘婿这个目录下的全部文件（好比 ll 命令），将文件名和文件类型都展现出来，怎么办呢？

就须要把一个个结构体指向的 inode 从 inode 表中取出，再把文件名和文件类型取出，这非常浪费时间。

而让用户看到一个目录下的全部文件，又是一个极其常见的操做。

因此，不如把文件名和文件类型这种常见的信息，放在数据块中的结构体里吧。

 

同时，inode 结构中的文件名，好像就没啥用了，这种变长的东西放在这种定长的结构中自己就很讨厌，早就想给它去掉了。并且还能给其余信息省下空间，好比文件所在块的数组，就能再多几个了。

太好了，去掉它！

 

OK，大功告成，如今咱们就能够给文件分门别类放进不一样目录下了，还能够在目录下建立目录，无限套娃！

8

如今的文件系统，已经比较完善了，只是还有一点不太爽。

咱们访问到一个目录下，能够很舒服地看到目录里的文件，而后再根据名称访问这个目录下的文件或者目录，整个过程都是一个套路。

可是，最上层的目录下的全部文件，即根目录，如今仍然须要经过遍历全部的 inode 来得到，能不能和上面的套路统一呢？

答案很是简单，咱们规定，inode 表中的 0 号 inode，就表示根目录，一切的访问，就从这个根目录开始！

 

好了，这回没有而后了！

咱们最后来欣赏下咱们的文件系统架构。

 

你是否是以为这没啥了不得的。但这个破玩意，它就叫文件系统

后记

这个文件系统，和 linux 上的经典文件系统 ext2 基本相同。

下面是我画的 ext2 文件系统的结构（字段部分只画了核心字段）

 

估计你是看不清了，我说下主要异同点：

1. 超级块前面是启动块，这个是 PC 联盟给硬盘规定的 1KB 专属空间，任何文件系统都不能用它。

2. ext2 文件系统首先将整个硬盘分为不少块组，但若是只有一个块组的话，和咱们的文件系统总体结构就彻底同样了，分别是超级块、块描述符、块位图、inode 位图、inode 表、数据块。

3. ext2 文件系统的 inode 表中用 15 个块来定位文件，其中第 13 个块为一级间接索引、14 个为二级间接索引、15 个为三级间接索引。

4. ext2 文件系统的文件类型分得更多，还有常见的如块设备文件、字符设备文件、管道文件、socket 文件等。

5. ext2 文件系统的超级块、块描述符、inode 表中记录的信息更多，但核心的和咱们的文件系统同样，并且这些字段在后续的 ext3 和 ext4 中不断增长，保持向前兼容。

6. ext2 文件系统的 2 号 inode 为根目录，而咱们的系统是 0 号 inode 为根目录，这个很随意，你设计一个文件系统定一个 187 号 inode 为根目录也没人拦着你。

若是你想了解 ext2 文件系统的所有细节，有三种方式。

1. 看源码，linux1.0 后的源码都有 ext2 文件系统的实现，源码是最准确的。

2. 看官方文档，这里有个 pdf 链接。
https://www.nongnu.org/ext2-doc/ext2.pdf

3. 看优质博客，这里我推荐一个。
http://docs.linuxtone.org/ebooks/C&CPP/c/ch29s02.html

4. 用 linux 的 mke2fs 命令生成一个 ext2 文件系统的磁盘镜像，而后一个字节一个字节分析其格式。

若是看源码和官方文档绝不吃力，我固然主推这两个，由于毕竟是一手资料。

但大多数人可能没法作到，有时也没大必要，所以也能够看一些优质的博客。

介绍思想的，我以为我这一篇就算是很优质的一篇了，它会带你从设计者角度了解为何这样来设计文件系统。

介绍细节的，那些连文件系统的格式和字段都写不对的，就别看了，因此我这里良心推荐一篇，就是上面的方式三，能够放心大胆，逐字逐句地食用。

最后你还能够用方式四，本身将文件系统镜像导出来，进行分析。

最近写这几篇文章，我感受对如何学会一项新的技术，有了点当心得，不知道你们是否感兴趣，改天能够找一篇来专门和你们分享一下。