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 我們無時(shí)無刻不在使用文件系統(tǒng)，進(jìn)行開發(fā)的時(shí)候在使用文件系統(tǒng)，瀏覽網(wǎng)頁的時(shí)候在使用文件系統(tǒng)，玩手機(jī)的時(shí)候也在使用文件系統(tǒng)。

對(duì)于非專業(yè)人士來說，可能根本不知道文件系統(tǒng)為何物。因?yàn)椋ǔ碚f，我們?cè)谑褂梦募到y(tǒng)的時(shí)候一般不會(huì)感知到文件系統(tǒng)的存在。即使對(duì)于程序開發(fā)人員，很多人對(duì)于文件系統(tǒng)也是一知半解。

雖然文件系統(tǒng)經(jīng)常不被感知，但是文件系統(tǒng)卻是非常重要的。在Linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)中文件系統(tǒng)是Linux內(nèi)核的四大子系統(tǒng)之一;而在Windows之前，微軟的DOS系統(tǒng)，其全稱是DiskOperatingSystem，也就是磁盤管理系統(tǒng)，說白了就是一個(gè)文件系統(tǒng)。

刨根問底文件系統(tǒng)

想要更加深入的理解文件系統(tǒng)，首先要弄明白什么是文件系統(tǒng)。業(yè)界并沒有給文件系統(tǒng)下一個(gè)明確的定義，作者翻閱《操作系統(tǒng)概念》和《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》等比較著名的操作系統(tǒng)書籍，并沒有找到關(guān)于文件系統(tǒng)的明確定義。在維基百科發(fā)現(xiàn)了對(duì)文件系統(tǒng)的如下描述：

In computing, a file system or filesystem (often abbreviated to fs) controls how data is stored and retrieved. 

另外一個(gè)對(duì)文件系統(tǒng)概念進(jìn)行描述的地方是Definitions，這是一個(gè)專業(yè)提供各種定義的網(wǎng)站，給出了如下解釋：

In computing, a file system is a type of data store which can be used to store, retrieve and update a set of files. 

雖然我們沒有找到明確的定義，但從前面找到的對(duì)文件系統(tǒng)的描述可以知道文件系統(tǒng)是一個(gè)控制數(shù)據(jù)存取的系統(tǒng)。而通常我們所說的文件系統(tǒng)是構(gòu)建在磁盤(含SSD盤和SD卡等)之上的。因此，我們通常所說的文件系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)對(duì)磁盤空間進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取的系統(tǒng)。

狹義的理解文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁盤、軟盤或者光盤等塊設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，而廣義來說，文件系統(tǒng)未必需要構(gòu)建在磁盤之上，它還可以構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)或者內(nèi)存之上。無論構(gòu)建在那種設(shè)備上，最為核心的是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取。

除了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取之外，文件系統(tǒng)更重要的一個(gè)功能是文件系統(tǒng)抽象了一個(gè)更加容易訪問存儲(chǔ)空間的接口。這里的接口包括用于程序開發(fā)的API接口和普通用戶的操作接口。為了便于理解，我們可以將文件系統(tǒng)對(duì)磁盤空間的管理用圖1表示。

圖1 從磁盤到文件系統(tǒng)

對(duì)于上圖，我們簡單的解釋一下。最底層是硬件設(shè)備，我們這里以硬磁盤為例。磁盤驅(qū)動(dòng)器和操作系統(tǒng)對(duì)硬磁盤做了很好的抽象，它們將復(fù)雜的硬磁盤抽象為一個(gè)連續(xù)的線性空間。最后是文件系統(tǒng)，將線性空間進(jìn)行管理和抽象，呈現(xiàn)給用戶一個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)。這里的層級(jí)結(jié)構(gòu)就是我們平常看到的目錄，子目錄和文件等元素的集合，如圖2所示。

圖2 文件系統(tǒng)實(shí)例

通過上面這張圖可能并不能很清楚的了解文件系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)。我們給出Linux操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的一個(gè)概圖，如圖3所示。通過該圖可以看出，文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)。各個(gè)目錄與子目錄之間呈層級(jí)的結(jié)構(gòu)。

圖3 樹形結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理

文件系統(tǒng)最核心的特性自然是數(shù)據(jù)管理了。這里的數(shù)據(jù)管理包括對(duì)整個(gè)磁盤的數(shù)據(jù)管理和對(duì)文件的數(shù)據(jù)管理兩部分。

對(duì)磁盤的管理主要是將磁盤劃分為不同的功能區(qū)，最為簡單的畫法就是分為元數(shù)據(jù)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。實(shí)際文件系統(tǒng)的處理要復(fù)雜一些，以Ext2為例，其將磁盤空間劃分為等大小的塊組，然后再對(duì)每個(gè)塊組進(jìn)行管理。

圖4 Ext2磁盤空間管理

在一個(gè)塊組中，最基礎(chǔ)的信息包含數(shù)據(jù)位圖，inode表位圖，inode表和數(shù)據(jù)區(qū)。對(duì)于磁盤空間的管理其實(shí)就是通過位圖來管理的，位圖用來標(biāo)志某塊數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被使用的。當(dāng)然，不同的文件系統(tǒng)的管理略有不同，但原理大同小異。

另外一個(gè)比較重要的地方就是對(duì)文件數(shù)據(jù)的管理了。對(duì)于普通用戶來說文件就是一個(gè)線性的數(shù)據(jù)空間，好比一個(gè)大數(shù)組。但是磁盤上可能無法提供這么大的空間。因此文件系統(tǒng)在管理文件的時(shí)候是將文件切割為一定大小的邏輯塊的。這樣，文件系統(tǒng)的做法是將文件的邏輯塊與磁盤的物理塊建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，當(dāng)我們?cè)L問文件某個(gè)位置的數(shù)據(jù)的時(shí)候就可以在磁盤上找到了。

經(jīng)過上述介紹，相信大家對(duì)文件系統(tǒng)有了一個(gè)概要的認(rèn)識(shí)。如果大家想更加深入的了解文件系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，可以進(jìn)一步閱讀本號(hào)的相關(guān)專欄。