【存储相关】文件系统

为什么要文件系统

在这篇【大话存储】学习笔记（一），磁盘我们说到了硬盘的原理，如果要从硬盘里面取数据，需要告诉控制器从哪里取，取多长等关键信息，如果这个步骤由应用来做，则实在太磨人了。

所以操作系统提供了一个中间层，对我们来说，只需要记住文件名和路径，其他的与磁盘块打交道的事情就交给这个中间层来做。这个中间层即为文件系统

怎么记录文件占有的磁盘块

最容易想到的自然是连续存放。这种方法在随机访问的时候效率最好，只需要知道文件起始位置以及长度，就可以像数组一样访问。

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缺点也很明显，如果一个文件删除了，就会留下很多空白的位置，后面的文件再过来填充的时候，如果填不满，则会留下大量的碎片。

所以我们希望一个文件可以切分成若干小块，使用链表串接起来。

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这样资源利用率当然高了，不过我们知道链表它的访问效率并不高，也就是说 每次都得从第一块开始，沿着链表往后找，非常消耗时间。

我们可以想想在图书馆怎么找书的，是不是有类似一张图书——位置的对应表，我们按图索骥即可。于是引入了索引式，使用专门的一个磁盘块来存放文件属性&文件所占的磁盘块。这个块叫inode。

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怎么记录目录占有的磁盘块

既然每个文件都有一个inode来描述，每个目录当然也需要一个inode，其中存放了目录的属性以及这个目录内容的磁盘块号。

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比如要读取/tmp/test.log，查找次序是这样的：

根目录inode->根目录磁盘块->
tmp目录inode->tmp目录磁盘块->
test.log的 inode->读取磁盘块

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流程相当复杂，特别在删除的时候，很容易就糟了。

比如想删除/tmp/test.log需要

• 目录中删除文件
• 释放inode到空闲的节点池
• 将磁盘块释放到空闲的磁盘池

如果某一步出错，就可能出问题。为了解决这种问题，引入了日志。也就是说在操作之间把规划列出来，形成日志，然后按照列出来的规划进行操作，只有所有的步骤走完了才能擦除日志。

如果在某一步崩溃了，系统重启的时候会再检查日志项，发现哪些没做，则重新来一遍即可。

如何管理空闲块

我们已经解决了怎么存放文件和目录的问题。但是我们还需要知道哪些地方没有使用，也就是空闲的块在那里。也就是说把空闲块管理起来，统一进行空间分配。

我们同样可以把空闲块组成一个链表，然后分配的时候就遍历一下链表即可。但是存在一个问题，如果磁盘块号是32位，则每个块都得花32位的空间，如果空闲块非常多，则浪费极大。

既然我们只是要知道某个地方是否被占用，而某个地方只存在占用和未占用两种可能，不妨使用一张位图，对于每个磁盘块，如果使用了，则标记为1，没用就标记为0。这样，每个磁盘块只是使用了一位来标记，非常节省空间。

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文件系统

我们以Linux ext2文件系统为例来看一下。

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硬盘主要由MBR与分区构成。
其中MBR中有引导代码与磁盘分区表

• 引导代码
• 分区表：记录每个分区的起始位置，已经哪个磁盘分区是主分区（活动分区）。对于主分区，系统会找到它，然后装载这个分区中的引导块

引导块里面有什么？每个分区都会一个引导块，如果本分区里面存放有操作系统，则会通过引导块来进行装载。

磁盘分区表只有64字节，而每个分区项占用16字节，则只能容纳4个分区。如果我们想有多于4个分区，则可以把其中一个设为扩展分区，然后继续划分逻辑分区即可。

每个分区由引导块和块组构成。
每个块组中有：

• 磁盘块位图
• inode位图
• inode表：存放文件和目录的inode
• 数据块

打个比方

打个不太恰当的比方，作为收尾。

可以把硬盘看做一个大仓库，而磁盘控制器就是理货员，没有文件系统之前，外面的人（应用）取货和送货都需要直接于理货员打交道，告诉他应该放那里，或者从那里取，非常的麻烦。

所以我们又请了一个仓管员（文件系统），由他来打理整个仓库，他需要对仓库里面放了什么东西，有多少空闲的地方了如指掌，所以外面的人只需要告诉仓管员要取什么文件，以及文件存放的路径即可。

那么仓管员是如何管理仓库的呢？

首先为了简化管理，他把若干房间（磁盘块）合在一起管理，形成簇（块组）。

然后在簇里面分一些房间专门来存放每个文件存放的具体位置，这种专门用来表示“文件——磁盘块”的映射关系的数据结构就叫inode。所以说如果要取文件的话，则可以先查看目录的inode，在里面可以找到下一级目录的inode号，然后可以去下一级目录的inode里面找，一级一级的下去，最后可以找到文件inode，即可知道文件存在哪些具体的磁盘块呢。

那么怎么存放数据呢？

仓管员把每个房间用一个格子表示，如果里面放了东西，则格子标1，如果没放，则标0 。这么通过这幅位图，就可以轻松知道那些房间是空余的了。

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