初识Linux · 文件系统

前言：

前文我们介绍了磁盘，介绍磁盘的原因是因为我们需要在理解文件系统之前，通过磁盘的了解，介绍一些文件相关的内容，比如文件是如何在磁盘里面存储的，什么是CHS定址法，为什么OS不使用CHS定址法，什么是LBA块等。

我们今天的介绍顺序是，先简单搭建起来对文件系统的理解，再深挖细节问题。

那么，进入今日的话题吧！

简单理解文件系统

对于文件系统框架的搭建，我们可以先从这个指令进入：

即stat指令，查看文件的信息，这个信息，是文件的属性？还是文件的内容呢？

我们知道文件 = 属性 + 内容，但是我们常常关注的都是文件的内容，对于文件的属性我们关注的并没有那么常见。所以要理解文件系统的框架，我们要从文件的属性进入。

由stat提供的信息来看，我们看到了File:main.c，这个代表的是文件名，Size代表的是文件的大小，Blocks？IO Block? Inode?这些都是什么？

不急，我们再次引入上文的话题：

对于上文，将磁盘从非线性的转换为了线性的，然后线性的空间我们看成了数组，那么数组，我们可以通过位图的类似做法，找到数据的存储地址。但是因为磁盘取数据的特殊点，取数据都是一次性的取4kb数据，所以OS为了方便将数据分为了多个块，也就是LBA块，分好之后，找到一整块空间就十分容易了。

所以我们对于文件的管理从磁盘，到了CHS，到了数组，到了LBA，最后无非就是搞清楚LBA里面究竟有什么就可以了：

形象的图片就是这样，那么块组里面，我们分清楚了有Super Block, Group Deseciptor Table, Block Bitmap, Inode Table, Data Blocks。

那么我们从哪里开始讨论呢？

从Data Blocks开始讨论：Data Blocks是数据块的翻译，也就是文件的内容都是放在这里的，但是因为方便介绍，我们将Data Blocks的大小缩小成了和其他差不多的大小。对于该块，占据的空间大小应该是整个块组的95%以上。

那么对于Data Blocks里面都有什么呢？

看起来是非常抽象的，因为Data Blocks里面存储的都是一个一个的数据块，大小都是为4kb的，取的时候就直接将该数据块丢出去就行了。

对于这么多的数据块，都是只存储文件的内容的。

并且，我们知道，文件 = 内容 + 属性，对于文件内容属性而言，Linux特定的文件系统是将文件的属性和内容分开存储的，这点我们先记住。对于Data Blocks我们就探讨到这里。

那么下一个，就是Block Bitmap，相信在C++学习的时候，同学们都是知道位图这个概念的。

最开始介绍位图的时候，都是通过的判断数据是否在一堆数据的集合里面，这里同理，引入block Bitmap就是为了判断是否某个数据块是否存在数据，这里位图就不多介绍了，但是引入了位图，确实能在遍历数据块上节省极大部分的时间。

下一个就是非常重要的inode Table，inode Table成为i节点表，存放的是文件的属性，文件的大小，所有者，最近的修改时间等。这是inode Table。

那么文件的属性一般都有什么呢？

struct inode
{
    int size;
    mode_t mode;
    int creater;
    int time;
    ...
    int inode_number;
    int datablocks[N];
};

我们拿几个非常常见的出来举例，文件大小，文件的权限，创建时间等，但是最重要的，我们应该关心inode_number和datablocks[N]。而这个块的名字是inode_table，所以它所处的空间自然是这么多个结构体所处的集合。

所以！！文件的属性不过是一个一个完全相同的结构体！！

而在里面，inode的结构体如何分区的呢，都是通过inode_number进行分区的，那么datablocks的作用是什么呢？我们使用文件的时候，通过了inode_number找到了对应的文件属性结构体，我们需要找到内容，就需要datablocks，这个数据指向的内容就是block Data的空间：

像这样，比如N等于12的时候，前11个直接指向的数据块，但是我们没有办法找到对应的大文件，所以第12个，指向的Data Blocks里面也存放的指针，指向了其他的数据块，就有一种指数的感觉。

那么数据还不够，13 14后面都可以指向，并且就不是一层关系这么简单了，是一层指向一层，一层又指向一层，套好几层最后才指向数据，这样就能找到大文件的数据了。

这种查找数据的方法叫做ext2文件系统，我们目前大多数使用的都是ext2，还有ext3 ext4等。

所以对于inode结构体我们就知道了个所以然，那么inode bitmap？那不就是同理了吗！！

通过inode bitmap找到表里面的某个位置是否存在文件的属性，然后进行后续的操作。

那么现在，我们就清楚了inode table, inode bitmap, data blocks, data bitmap。对于剩下的两个，比如GDT，也就是Group Descriptor table，翻译过来叫做块组描述符，描述的是块组的属性信息，其实就是这个块的信息了，这更加体现了一种分治的思想。

对于Super blocks，它的名字可就厉害了，叫做超级块，存放的是文件系统本身的结构信息，而且不是每个组都有的，可能几个组才回有一个。比如存放的有inode使用的个数，未使用的个数，datablocks的使用个数，datablocks未使用的个数。这些都是超级块所要记录的内容。

那么提问，既然是记录所有的结构信息，为什么要整这么多个呢？

因为磁盘是可能损坏的，如果损坏的时候，刚好磁头给一个超级块的内容消除了，那么这不就完蛋了吗？？所有多存储几个，增加了容错率！！

说了那么多，inode是十分重要的，查看inode是-i：

细节理解

对于上文来说，我们已经理解了块里面的6个成员，现在我们来谈论具体细节问题：

第一个细节：

如何通过inode找到对应的data blocks？

因为inode和data都是以分区为单位的，所以inode可以通过数组datablocks找到的！

第二个细节：

我们使用的不是一直都是文件名吗？好像并没有使用inode，可是我们改变文件内容的时候，一直使用的都是文件名啊？

这个时候，我们就要谈谈目录了，目录 = 文件属性 + 文件内容，这里可不要认为目录就不是文件了，提问，目录的文件内容是什么呢？

目录的文件内容 = 文件名和inode的编号关系，当我们创建好了一个文件，文件所在的目录就会记录该文件和inode的关系，方便找到并进行修改。

所以目录里面的文件名就是和inode映射关系！！

到了这里，相信同学们能理解为什么一个目录下不能创建多个同名文件了吧？因为如果创建了同名文件，映射关系一乱，整个文件系统就瘫痪了。

可是！！当我们修改目录的时候，用的还是目录名啊！！又是什么存储的目录和inode的关系呢？

看这个：

pwd打印出来了路径，是因为环境变量PATH，而我们在该目录下修改文件，需要找到对应的inode，找到inode之前，我们需要找到该文件所在的目录，找到该文件所在的目录，我们就应该要找到目录的目录，最后直接到了根目录！！

而在根目录这里，就是OS已经提前加载好了有关路径缓存的信息了，这里涉及到了知识点有结构体dentry，格式化，挂载等。我们先不管，我们只需要知道，Linux会缓存路径信息，从而我们可以通过文件 目录来修改对应内容。

现在，我们顺便回顾一下目录的r w，当我们将r去掉之后，也就是没有可读权限：

此时目录就不允许我们读取文件内容，本质就是不让我们知道文件名和inode的映射关系。

这里就不演示了，当我们没有了w权限之后，我们无法创建文件，本质就是因为不要我们创建文件名和Inode的映射关系！！

所以，对于细节2，我们可以得出结论：

1 目录下不能创建同名文件，因为会打乱映射关系

2 查找的文件顺序是通过文件名查找对应的inode编号

3 r是让我们找到对应的映射关系，w是不让我们写入对应的映射关系

第三个细节：

我们如何理解文件的增删查改呢？

文件增，就是找到对应的映射关系，在datablock里面增加数据，查就是找对应的映射关系，改也是通过inode，修改datablocks里面的数据关系。

那么删除呢？

其实这里的删除是一种伪删除。

即将Inode bitmap ， datablock bitmap都置为0即可。这是一种删除。

我们对于文件系统的框架有了简单的理解，那么理解接下来的软硬连接动态库就会轻松很多了。

感谢阅读！