圖解 | 你管這破玩意叫文件系統(tǒng)？

作者：閃客sun 2021-03-04 13:14:54

你準(zhǔn)備把這些文件存儲(chǔ)在硬盤上，并在需要的時(shí)候讀取出來。要設(shè)計(jì)怎樣的軟件，才能更方便地在硬盤中讀寫這些文件呢?

你手里有一塊硬盤，大小為 1T

你還有一堆文件

這些文件在硬盤看來，就是一堆二進(jìn)制數(shù)據(jù)而已

你準(zhǔn)備把這些文件存儲(chǔ)在硬盤上，并在需要的時(shí)候讀取出來。要設(shè)計(jì)怎樣的軟件，才能更方便地在硬盤中讀寫這些文件呢?

首先我不想和復(fù)雜的扇區(qū)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)等細(xì)節(jié)打交道，因此我先實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的功能，將硬盤按邏輯分成一個(gè)個(gè)的塊，并可以以塊為單位進(jìn)行讀寫。每個(gè)塊就定義為兩個(gè)物理扇區(qū)的大小，即 1024 字節(jié)，就是 1KB 啦。硬盤太大不好分析，我們就假設(shè)你的硬盤只有 1MB，那么這塊硬盤則有 1024 個(gè)塊。

OK，我們開始存文件啦!準(zhǔn)備一個(gè)文件

隨便選個(gè)塊放進(jìn)去，3 號塊吧!

成功!首戰(zhàn)告捷!

再存一個(gè)文件!誒?發(fā)現(xiàn)問題了，萬一這個(gè)文件也存到了 3 號塊，不是把原來的文件覆蓋了么?不行，得有一個(gè)地方記錄，現(xiàn)在可使用的塊有哪些，像這樣。

塊 0：未使用

塊 1：未使用

塊 2：未使用

塊 3：已使用

塊 4：未使用

...

塊 1023：未使用

那我們就用 0 號塊，來記錄所有塊的使用情況吧!怎么記錄呢?位圖!

那我們給塊 0 起個(gè)名字，叫塊位圖，之后這個(gè)塊 0 就專門用來記錄所有塊的使用情況，不再用來存具體文件了。

當(dāng)我們再存入一個(gè)新文件時(shí)，只需要在塊位圖中找到第一個(gè)為 0 的位，就可以找到第一個(gè)還未被使用的塊，將文件存入。同時(shí)，別忘了把塊位圖中的相應(yīng)位置 1。完美!

下面，我們嘗試讀取剛剛的文件。咦?又遇到問題了，我怎么找到剛剛的文件呢?根據(jù)塊號么?這也太蠢了，就像你去書店找書，店員讓你提供書的編號，而不是書名，顯然不合理。因此我們給每個(gè)文件起一個(gè)名字，叫文件名，通過它來尋找這個(gè)文件。那必然就要有一個(gè)地方，記錄文件名與塊號的對應(yīng)關(guān)系，像這樣。

葵花寶典.txt：3 號塊

數(shù)學(xué)期末復(fù)習(xí)資料.mp4：5 號塊

低并發(fā)編程的秘密.pdf：10 號塊

...

別急，既然都要選一個(gè)地方記錄文件名稱了，不妨多記錄一點(diǎn)我們關(guān)心的信息吧，比如文件大小、文件創(chuàng)建時(shí)間、文件權(quán)限等。這些東西自然也要保存在硬盤上，我們選擇用一個(gè)固定大小的空間，來表示這些信息，多大空間呢?128 字節(jié)吧。為啥是 128 字節(jié)呢?我樂意。

我們將這 128 字節(jié)的結(jié)構(gòu)體，叫做一個(gè) inode。之后，我們每存入一個(gè)新的文件，不但要占用一個(gè)塊來存放這個(gè)文件本身，還要占用一個(gè) inode 來存放文件的這些元信息，并且這個(gè) inode 的所在塊號這個(gè)字段，就指向這個(gè)文件所在的塊號。

如果一個(gè) inode 為 128 字節(jié)，那么一個(gè)塊就可以容納 8 個(gè) inode，我們可以將這些 inode 編上號。

如果你覺得 inode 數(shù)不夠，也可以用兩個(gè)或者多個(gè)塊來存放 inode 信息，但這樣用于存放數(shù)據(jù)的塊就少了，這就看你自己的平衡了。

同樣，和塊位圖管理塊的使用情況一樣，我們也需要一個(gè) inode 位圖，來管理 inode 的使用情況。我們就把 inode 位圖，放在 1 號塊吧!同時(shí)，我們把 inode 信息，放在 2 號塊，一共存 8 條 inode，這樣我們的 2 號塊就叫做inode 表。現(xiàn)在，我們的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了下面這個(gè)樣子。

注意：塊位圖是管理可用的塊，每一位代表一個(gè)塊的使用與否。inode 位圖管理的是一條一條的 inode，并不是 inode 所占用的塊，比如上圖中有 8 條 inode，則 inode 位圖中就有 8 位是管理他們的使用與否。

現(xiàn)在，我們的文件很小，一個(gè)塊就能容下。但如果需要兩個(gè)塊、三個(gè)塊、四個(gè)塊呢?很簡單，我們只需要采用連續(xù)存儲(chǔ)法，而 inode 則只記錄文件的第一個(gè)塊，以及后面還需要多少塊，即可。這種辦法的缺點(diǎn)就是：容易留下大大小小的空洞，新的文件到來以后，難以找到合適的空白塊，空間會(huì)被浪費(fèi)。

看來這種方式不行，那怎么辦呢?

既然在 inode 中記錄了文件所在的塊號，為什么不擴(kuò)展一下，多記錄幾塊呢?

原來在 inode 中只記錄了一個(gè)塊號，現(xiàn)在擴(kuò)展一下，記錄 8 個(gè)塊號!而且這些塊不需要連續(xù)。

嗯，這是個(gè)可行的辦法!

但是這也僅僅能表示 8 個(gè)塊，能記錄的最大文件是 8K(記住，一個(gè)塊是 1K), 現(xiàn)在的文件輕松就超過這個(gè)限制了，這怎么辦?很簡單，我們可以讓其中一個(gè)塊，作為間接索引。

這樣瞬間就有 263 個(gè)塊(多了 256 -1 個(gè)塊)可用了，這種索引叫一級間接索引。如果還嫌不夠，就再弄一個(gè)塊做一級間接索引，或者做二級間接索引(二級間接索引則可以多出 256 * 256 - 1 個(gè)塊)。我們的文件系統(tǒng)，暫且先只弄一個(gè)一級間接索引。硬盤一共才 1024 個(gè)塊，一個(gè)文件 263 個(gè)塊夠大了。再大了不允許，就這么任性，愛用不用。好了，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以保存很大的文件了，并且可以通過文件名和文件大小，將它們準(zhǔn)確讀取出來啦!

但我們得精益求精，我們再想想看這個(gè)文件系統(tǒng)有什么毛病。比如，inode 數(shù)量不夠時(shí)，我們是怎么得知的呢?是不是需要在 inode 位圖中找，找不到了才知道不夠用了?同樣，對于塊數(shù)量不夠時(shí)，也是如此。要是有個(gè)全局的地方，來記錄這一切，就好了，也方便隨時(shí)調(diào)整，比如這樣

inode 數(shù)量

空閑 inode 數(shù)量

塊數(shù)量

空閑塊數(shù)量

那我們就再占用一個(gè)塊來存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)吧!由于他們看起來像是站在上帝視角來描述這個(gè)文件系統(tǒng)的，所以我們把它放在最開始的塊上，并把它叫做超級塊，現(xiàn)在的布局如下。

我們繼續(xù)精益求精。現(xiàn)在，塊位圖、inode 位圖、inode 表，都是是固定地占據(jù)這塊 1、塊 2、塊 3 這三個(gè)位置。假如之后 inode 的數(shù)量很多，使得 inode 表或者 inode 位圖需要占據(jù)多個(gè)塊，怎么辦?或者，塊的數(shù)量增多(硬盤本身大了，或者每個(gè)塊變小了)，塊位圖需要占據(jù)多個(gè)塊，怎么辦?程序是死的，你不告訴它哪個(gè)塊表示什么，它可不會(huì)自己猜。很簡單，與超級塊記錄信息一樣，這些信息也選擇一個(gè)塊來記錄，就不怕了。那我們就選擇緊跟在超級塊后面的 1 號塊來記錄這些信息吧，并把它稱之為塊描述符。

當(dāng)然，這些所在塊號只是記錄起始塊號，塊位圖、inode 位圖、inode 表分別都可以占用多個(gè)塊。好了，大功告成!

現(xiàn)在，我們再嘗試存入一批文件。

葵花寶典.txt
數(shù)學(xué)期末復(fù)習(xí)資料.mp4
贅婿1.mp4
贅婿2.mp4
贅婿3.mp4
贅婿4.mp4

低并發(fā)編程的秘密.pdf

誒?這看著好不爽，所有的文件都是平鋪開的，能不能擁有層級關(guān)系呢?比如這樣

葵花寶典.txt
數(shù)學(xué)期末復(fù)習(xí)資料.mp4
贅婿
- 贅婿1.mp4
- 贅婿2.mp4
- 贅婿3.mp4
- 贅婿4.mp4
低并發(fā)編程的秘密.pdf

我們將葵花寶典.txt 這種稱為普通文件，將贅婿這種稱為目錄文件，如果要訪問贅婿1.mp4，那全文件名要寫成贅婿/贅婿1.mp4。如何做到這一點(diǎn)呢?那我們又得把 inode 結(jié)構(gòu)拿出來說事了。

此時(shí)需要一個(gè)屬性來區(qū)分這個(gè)文件是普通文件，還是目錄文件。缺什么就補(bǔ)什么嘛，我們已經(jīng)很熟悉了，專門加一個(gè) 4 字節(jié)，來表示文件類型。

如果是普通文件，則這個(gè) inode 所指向的數(shù)據(jù)塊仍然和之前一樣，就是文件本身原封不動(dòng)的內(nèi)容。但如果是目錄文件，則這個(gè) inode 所指向的數(shù)據(jù)塊，就需要重新規(guī)劃了。這個(gè)數(shù)據(jù)塊里應(yīng)該是什么樣子呢?可以是一個(gè)一個(gè)指向不同 inode 的緊挨著的結(jié)構(gòu)體，比如這樣。

這樣先通過贅婿這個(gè)目錄文件，找到所在的數(shù)據(jù)塊。再根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)塊里的一個(gè)個(gè)帶有inode 信息的結(jié)構(gòu)體，找到這個(gè)目錄下的所有文件。完美!

不過這樣的話，你想想看，如果想要查看一下贅婿這個(gè)目錄下的所有文件(比如 ll 命令)，將文件名和文件類型都展示出來，怎么辦呢?就需要把一個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)體指向的 inode 從 inode 表中取出，再把文件名和文件類型取出，這很是浪費(fèi)時(shí)間。而讓用戶看到一個(gè)目錄下的所有文件，又是一個(gè)極其常見的操作。所以，不如把文件名和文件類型這種常見的信息，放在數(shù)據(jù)塊中的結(jié)構(gòu)體里吧。

同時(shí)，inode 結(jié)構(gòu)中的文件名，好像就沒啥用了，這種變長的東西放在這種定長的結(jié)構(gòu)中本身就很討厭，早就想給它去掉了。而且還能給其他信息省下空間，比如文件所在塊的數(shù)組，就能再多幾個(gè)了。太好了，去掉它!

OK，大功告成，現(xiàn)在我們就可以給文件分門別類放進(jìn)不同目錄下了，還可以在目錄下創(chuàng)建目錄，無限套娃!

現(xiàn)在的文件系統(tǒng)，已經(jīng)比較完善了，只是還有一點(diǎn)不太爽。我們訪問到一個(gè)目錄下，可以很舒服地看到目錄里的文件，然后再根據(jù)名稱訪問這個(gè)目錄下的文件或者目錄，整個(gè)過程都是一個(gè)套路。但是，最上層的目錄下的所有文件，即根目錄，現(xiàn)在仍然需要通過遍歷所有的 inode 來獲得，能不能和上面的套路統(tǒng)一呢?答案非常簡單，我們規(guī)定，inode 表中的 0 號 inode，就表示根目錄，一切的訪問，就從這個(gè)根目錄開始!