图解你管这叫文件系统？

你手里有个硬盘，1T大小。

你还有一堆文件。

这些文件在硬盘视图中只是一堆二进制数据。

你准备把这些文件存储在硬盘上，需要的时候把它们读出来。

应该设计什么样的软件来更方便地读写硬盘中的这些文件？

首先我不想处理复杂的扇区，设备驱动等细节，所以我先实现了一个简单的功能，逻辑上把硬盘分成块，可以分块读写。

每个块定义为两个物理扇区的大小，即1024字节，也就是1KB。

硬盘太大，无法分析，我们假设你的硬盘只有1MB，这个硬盘有1024块。

好了，我们开始保存文件吧！

准备一份文件。

选任何一块放进去，第三块！

成功！第一次胜利！

再存一个文件！

呃？发现问题了。万一这个文件也保存在Block 3中，不是会覆盖原来的文件吗？不，必须有一个地方记录现在哪些区块是可用的，就像这样。

0:未使用

1:未使用

2:未使用

第3部分:已使用

第4块:未使用

...

块1023:未使用

让我们用block 0来记录所有block的使用情况！怎么录？

位图！

那么我们给block 0起个名字，叫block bitmap，然后这个block 0会用来记录所有块的使用情况，而不是存储具体的文件。

当我们保存一个新文件时，我们只需要在块位图中找到第一位0，然后我们就可以找到第一个未使用的块并保存文件。同时，不要忘记在块位图中设置相应的位置1。

完美！

接下来，让我们尝试读取刚才的文件。

呃？还有一个问题。我怎么才能找到刚才的文件？根据街区号？太蠢了。这就好比你去书店找一本书，店员要求你提供书号而不是书名，这显然是不合理的。

因此，我们给每个文件一个名字，叫做文件名，并通过它寻找这个文件。

必须有一个地方记录文件名和块号的对应关系，像这样。

向日葵收藏. txt: Block 3

数学期末复习资料。MP4:第五街区

低并发编程的秘密. pdf: Block 10

...

别急，既然要选择一个地方记录文件名，我们不妨多记录一些我们关心的信息，比如文件大小、文件创建时间、文件权限等。

自然，这些东西也要存在硬盘里。我们选择一个固定大小的空间来表示这些信息。多大空间？请给我28字节。

为什么是128字节？我很乐意。

我们称这种128字节的结构为inode。

之后我们每保存一个新文件，不仅要占用一个块来存储文件本身，还要占用一个inode来存储文件的元信息，这个inode的block number字段指向这个文件的块号。

如果一个索引节点是128字节，那么一个块可以容纳8个索引节点，我们可以对这些索引节点进行编号。

如果你觉得inode的数量不够，你也可以使用两个或者更多的块来存储inode信息，但是这样存储数据的块就少了。就看你自己的平衡了。

类似地，像块位图的使用一样，我们也需要一个inode位图来管理inode的使用。让我们把索引节点位图放在块1中！

同时，我们将inode信息放在块2中，其中有8个inode共存，因此我们的块2称为inode表。

现在，我们的文件系统结构变成了下面这样。

注意:块位图用于管理可用的块，每一位代表一个块的使用。索引节点位图逐个管理索引节点，而不是索引节点所占用的块。例如，如果上图中有8个inode，那么inode位图中有8位来管理它们的使用与否。

现在，我们的文件很小，一个街区就能装下。

但是如果需要两块，三块，四块呢？

很简单，我们只需要采用连续存储的方式，而inode只记录文件的第一块，以及后面需要多少块。

这种方法的缺点是容易留下大小孔洞。新文档到达后，很难找到合适的空白块，空间会被浪费。

这种方式好像行不通，怎么办？

既然inode中记录了文件的块号，为什么不扩展一下，记录更多的块呢？

最初，inode中只记录了一个块号。现在，展开它，记录8个块号！并且这些块不必是连续的。

嗯，这是一个可行的办法！

但这只能代表8块，能记录的最大文件是8K。现在文件很容易超过这个限制。我该怎么办？

很简单，我们可以将其中一个块作为间接索引。

这样一瞬间就有了263块。这种指标称为一级间接指标。

如果还不够，再弄一个一级间接索引或者二级间接索引的块。

我们的文件系统，暂时只有一级间接索引。硬盘只有1024块，一个文件263块就够大了。再大也是这么任性。爱不爱。

好了，现在可以保存大文件了，可以通过文件名和文件大小准确的读出来了！

但是我们必须不断进步。让我们想想这个文件系统有什么问题。

例如，我们如何知道inode的数量何时不够？需要在inode位图中查找吗？找不到就知道不够用？

同样，当块数不足时，也是如此。

如果有个全球的地方把这一切都记录下来就好了，方便随时调整，比如这个。

信息节点数量

空闲信息节点数量

块数

空闲块数

那我们再占用一个块来存储这些数据吧！因为他们似乎是从上帝的角度来描述这个文件系统，所以我们把它放在初始块上，称之为超级块。现在布局如下。

我们继续追求卓越。

现在，块位图、索引节点位图和索引节点表都占据了块1、块2和块3这三个位置。

如果inode数量太大，以至于inode表或inode位图需要占用多个块怎么办？

或者，随着块数的增加，块位图需要占用多个块。我该怎么办？

程序已经死了。如果你不告诉它哪个方块代表什么，它就不会自己去猜。

很简单。就像超级块记录信息一样，你可以选择一块来记录这些信息，这样你就不会害怕了。那么我们就选择紧接超级块之后的第一个块来记录这些信息，称之为块描述符。

当然，这些块号只记录起始块号，块位图、inode位图、inode表可以分别占用多个块。

好了，你完成了！

现在，让我们尝试保存另一批文件。

葵花宝典. txt

materials.mp4数学期末复习

许·

许·

许·

许·

低并发Programming.pdf的秘密

呃？这看起来不舒服。所有的文件都放平了。可以有等级关系吗？像这样

葵花宝典. txt

materials.mp4数学期末复习

住在妻子父母家的女婿

许·

许·

许·

许·

低并发Programming.pdf的秘密

我们称之为向日葵收藏。txt一个普通文件，我女婿一个目录文件。如果你想拜访我的女婿1.mp4，整个文件名应该写成

女婿/女婿1.mp4。

如何做到这一点？那么我们又要说inode结构了。

此时需要一个属性来区分这个文件是普通文件还是目录文件。

弥补缺失的东西。我们已经很熟悉了。我们添加一个4字节来表示文件类型。

如果是正常文件，这个inode指向的数据块还是和以前一样，也就是文件本身的完整内容。

但如果是目录文件，这个inode指向的数据块就需要重新规划了。

这个数据块应该是什么样子？它可以是指向彼此相邻的不同inode的结构，比如这样。

这样我们就可以先找到这个目录文件中的数据块。然后，根据该数据块中包含inode信息的结构，找到该目录中的所有文件。

完美！

但是，仔细想想。如果你想检查这个目录下的所有文件，并显示文件名和文件类型呢？

需要从inode表中取出每个结构所指向的inode，然后再取出文件名和文件类型，很浪费时间。

让用户看到一个目录下的所有文件是一个很常见的操作。

因此，最好将结构中的文件名和文件类型等常用信息放在数据块中。

同时，inode结构中的文件名似乎也没什么用。这种变长的东西在这种定长结构里很烦，早就想摆脱了。它还可以为其他信息节省空间，比如文件所在的块数组，这样就可以多一些。

太好了，摆脱它！

好了，你完成了。现在我们可以将文件分类到不同的目录中，也可以在目录中创建目录，无限娃娃！

现在的文件系统已经比较完善了，但是还是有一点点不适。

当我们访问一个目录时，我们可以很舒服地看到目录中的文件，然后根据它们的名称访问这个目录中的文件或目录。整个过程都是套路。

但是，顶层目录(即根目录)中的所有文件仍然需要通过遍历所有inode来获取。可以和上面的套路统一吗？

答案很简单。我们规定inode表中的数字0 inode表示根目录，所有访问都从这个根目录开始！

好了，没有了！

最后，让我们来欣赏一下我们的文件系统架构。

你觉得没什么大不了的。

但是这个愚蠢的东西，叫做文件系统。

附言

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。

我猜你看不清楚。我来说说主要的异同点:

1.超级块前面是引导块，是PC联盟为硬盘指定的1KB独占空间，任何文件系统都不能使用。

2.EXT2文件系统首先将整个硬盘划分为许多块组，但如果只有一个块组，那么它将与我们文件系统的整体结构完全相同，即超级块、块描述符、块位图、inode位图、inode表和数据块。

3.在EXT2文件系统的inode表中，有15个块用于定位文件，其中第13个块是一级间接索引，14个是二级间接索引，15个是三级间接索引。

4.ext2文件系统有更多的文件类型，如块设备文件、字符设备文件、管道文件、套接字文件等。

5.EXT2文件系统的超级块、块描述符和inode表记录的信息更多，但核心和我们的文件系统是一样的，在后续的ext3和ext4中不断增加这些字段，保持向前兼容。

6.6.ext2文件系统的2号inode是根目录，而我们的系统是0号inode的根目录。这是非常武断的。你设计一个文件系统，设置一个187号inode作为根目录，没人拦你。

如果你想知道ext2文件系统的所有细节，有三种方法。

1.看源代码。linux1.0以后的源码有ext2文件系统的实现，源码最准确。

2.看官方文件。这里有一个pdf链接。

3.阅读高质量的博客。这里我推荐一个。

4.使用linux的mke2fs命令生成ext2文件系统的磁盘镜像，然后逐字节分析其格式。可以在微信官方账号回复ext2低并发编程获取我的图像分析文件。

如果看源代码和官方文档比较容易，当然我是提倡这两个的，因为毕竟是第一手资料。

但是大部分人可能做不到，有时候也没必要，所以也可以看一些有质量的博客。

入门，我觉得我这个是质量非常高的一个。它将带你理解你为什么从设计者的角度来设计文件系统。

如果介绍细节的话，别看那些连文件系统的格式和字段都写不正确的，所以我在这里良心推荐一个，也就是上面的第三种方式，你可以放心的逐字逐句的吃下去。