十五. 文件系統一(文件系統的基本概念)

來自專欄 簡易的linux kernel

磁碟的基礎概念

扇區：它是磁碟讀寫的基本單位。在我們個人的pc上，他的大小通常為512byte

塊：在windows中，稱為簇。一個塊由多個扇區組成，磁碟在進行讀寫數據的時候，不可能有一扇區的數據就讀或寫一次，而是等數據累計到一定量後，在統一進行讀寫，而這個數據量就叫塊。在對磁碟進行格式化分區的時候可以選擇塊的大小，默認的是4kb。因為每次進行讀寫的數據量都是一塊為單位，所以在磁碟上數據的存儲也是以塊為大小。最顯著的例子是，我們在windows上創建一個文件，它的實際大小都為塊大小的整數倍。

總結的來說，扇區是由磁碟的設計決定的，它決定了磁碟一次讀寫所能取得的數據量。塊這個概念是由程序員設計出來的，它就類似於緩衝區的概念，在累計到一定的數據量之後進行一次性讀寫。扇區和塊的概念有點類似於bit和byte。bit計算機系統中最小的數據單元，但通常我們都不會直接對bit進行操作，所以通常會將byte作為計算機中最小的數據單位。所以在後面中，沒有特殊的說明，文件系統的最小單元默認就是塊。

鏈式文件系統

磁碟中，數據的存儲都是以塊為大小，這裡的塊大小都以4KB來舉例，對於大於4KB的文件，就會對其進行分塊存儲。如10KB的文件，就會將其分為3塊。不同對文件系統對這3塊文件的存儲方式都會不一樣，這裡用FAT的鏈式文件系統舉例。

這幅圖很形象的說明了鏈式文件系統的特點，文件的塊是分布在各個零散的空間中，這樣對空間的利用率有極大的提升。但是想要放到到某個指定的塊就必須從第一個塊開始向下尋找，訪問的速度較慢。

windows的上古時期使用的就是這種文件系統。

索引式文件系統

在UNIX時代，就已經實現了索引式的文件系統。它的原理是為一個文件的所有塊建立一個索引表，索引表就是塊地址數組，每個數組元素就是塊的地址，第n個數組元素指向文件中的第n個塊，這樣訪問任意一個塊的時候，只需要從索引表中獲得塊地址就可以了。而且文件中的塊依然可以分散到不連續的零散空間中。其結構如下圖所示

索引表的索引結構稱為inode，用來索引，跟蹤一個文件的所有塊。inode是文件索引結構組織形式的具體體現，一個文件就必須對應一個inode。

索引表本身要佔用存儲空間，如果文件很大時，塊就比較多，索引表就會很大。UNIX為了解決這個問題，採用間接索引表來處理。

具體的做法是：每個索引表中有15個索引項，前12個索引項對應文件的12個塊，他們是文件的直接塊。若文件大於12塊，就再建立一個新的塊索引表，新索引表稱為一級間接索引表，表中可容納256個塊地址，這個索引表也會佔用一個物理塊，老的索引表的第13個索引項就會指向這個索引表所在的物理塊。通過一級間接索引表，文件最大可達到 12 + 256 = 268塊。

如果文件超過268塊的大小，就再建立二級間接索引表，此表中各個表項存儲的是一級間接索引表，老的索引表中的第14個索引項就會指向這個二級間接索引表，此時的文件最大可到 268 + 256 * 256。如果塊大小為4KB的話，大約可以表示257MB的文件。

如果任然不夠用的話，就會建立三級間接索引表，讓老索引表的第15個索引項指向這個三級間接索引表。此時能表示的文件大小大約是64GB。

inode的結構如圖所示

目錄與目錄項

在磁碟上的文件系統中，沒有用來專門表示目錄的結構，磁碟上有的只是inode，inode是用於描述一個文件實體的數據塊，至於數據塊中記錄的是什麼，並不是有inode決定的。

既然磁碟上只有這一個結構，那麼目錄同樣也是通過inode來表示的。inode是用來表示文件的，那麼也可以說，目錄也是文件的一種。

inode既可以表示普通文件，也可以表示目錄，那麼肯定要有一種方法來區分它到底是普通文件還是目錄。這個就是通過inode中的數據塊來區分的。

普通文件的inode的數據塊是指向普通文件自己的數據的。

目錄的inode的數據塊是指向位於該目錄下的目錄項的。

不管是普通文件還是目錄文件，它總會存在於某個目錄中，所有的文件都位於根目錄 / 之下。我們平時使用的 ls 命令就是目錄項的外在表現

在目錄項中會記錄該文件的類型，是屬於普通文件，還是屬於一個目錄。

下面是目錄項的一個示意圖

通過目錄項便可以通過文件名找到文件對應的數據了。

首先通過文件名找到位於該目錄項中對應的inode編號

然後通過通過這個inode編號在inode數組中找到該文件對應的inode

最後通過這個文件對應的inode找到該文件對應的數據。

超級塊

在文件系統中，一個文件用一個inode表示，所有的inode組成了inode數組，這個inode數組存儲在哪裡，如何對其進行管理。文件系統中，哪些塊被使用了，哪些塊是空閑的，這些信息都需要記錄，對這些數據進行統一管理和記錄的數據結構叫做超級塊。它的結構如圖所示

超級塊中的大部分數據都很好理解，裡面的魔數是用來確定文件系統的標誌的，用它來區別其他的文件系統。雖然對於我們這個簡單的內核來說沒什麼意義，但是模仿就模仿到底，加上這個結構也不是很複雜。

超級塊是文件系統基本信息的配置文件，它是在為分區創建文件系統時創建的，所有關於文件系統的基本信息都記錄在超級塊中，因此超級塊的位置和大小是固定的，它被固定存儲在各個分區的第2個扇區中，通常佔用1扇區的大小。

這個kernel的文件系統模仿ext2文件系統實現，其文件系統的布局如圖所示