圖解 | 原來這就是文件系統
你手裡有一塊硬碟，大小為 1T
你還有一堆文件
這些文件在硬碟看來，就是一堆二進位數據而已
你準備把這些文件存儲在硬碟上，並在需要的時候讀取出來。
要設計怎樣的軟體，才能更方便地在硬碟中讀寫這些文件呢？
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首先我不想和複雜的扇區，設備驅動等細節打交道，因此我先實現了一個簡單的功能，將硬碟按邏輯分成一個個的塊，並可以以塊為單位進行讀寫。
每個塊就定義為兩個物理扇區的大小，即 1024 位元組，就是 1KB 啦。
硬碟太大不好分析，我們就假設你的硬碟只有 1MB，那麼這塊硬碟則有 1024 個塊。
OK，我們開始存文件啦！
準備一個文件
隨便選個塊放進去，3 號塊吧！
成功！首戰告捷！
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再存一個文件！
誒？發現問題了，萬一這個文件也存到了 3 號塊，不是把原來的文件覆蓋了么？不行，得有一個地方記錄，現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！怎麼記錄呢？
點陣圖！
那我們給塊 0 起個名字，叫塊點陣圖，之後這個塊 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。
當我們再存入一個新文件時，只需要在塊點陣圖中找到第一個為 0 的位，就可以找到第一個還未被使用的塊，將文件存入。同時，別忘了把塊點陣圖中的相應位置 1。
完美！
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下面，我們嘗試讀取剛剛的文件。
咦？又遇到問題了，我怎麼找到剛剛的文件呢？根據塊號么？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。
因此我們給每個文件起一個名字，叫文件名，通過它來尋找這個文件。
那必然就要有一個地方，記錄文件名與塊號的對應關係，像這樣。
葵花寶典.txt：3 號塊
數學期末複習資料.mp4：5 號塊
低並發編程的秘密.pdf：10 號塊
…
別急，既然都要選一個地方記錄文件名稱了，不妨多記錄一點我們關心的資訊吧，比如文件大小、文件創建時間、文件許可權等。
這些東西自然也要保存在硬碟上，我們選擇用一個固定大小的空間，來表示這些資訊，多大空間呢？128 位元組吧。
為啥是 128 位元組呢？我樂意。
我們將這 128 位元組的結構體，叫做一個 inode。
之後，我們每存入一個新的文件，不但要佔用一個塊來存放這個文件本身，還要佔用一個 inode 來存放文件的這些元資訊，並且這個 inode 的所在塊號這個欄位，就指向這個文件所在的塊號。
如果一個 inode 為 128 位元組，那麼一個塊就可以容納 8 個 inode，我們可以將這些 inode 編上號。
如果你覺得 inode 數不夠，也可以用兩個或者多個塊來存放 inode 資訊，但這樣用於存放數據的塊就少了，這就看你自己的平衡了。
同樣，和塊點陣圖管理塊的使用情況一樣，我們也需要一個 inode 點陣圖，來管理 inode 的使用情況。我們就把 inode 點陣圖，放在 1 號塊吧！
同時，我們把 inode 資訊，放在 2 號塊，一共存 8 條 inode，這樣我們的 2 號塊就叫做 inode 表。
現在，我們的文件系統結構，變成了下面這個樣子。
注意：塊點陣圖是管理可用的塊，每一位代表一個塊的使用與否。inode 點陣圖管理的是一條一條的 inode，並不是 inode 所佔用的塊，比如上圖中有 8 條 inode，則 inode 點陣圖中就有 8 位是管理他們的使用與否。
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現在，我們的文件很小，一個塊就能容下。
但如果需要兩個塊、三個塊、四個塊呢？
很簡單，我們只需要採用連續存儲法，而 inode 則只記錄文件的第一個塊，以及後面還需要多少塊，即可。
這種辦法的缺點就是：容易留下大大小小的空洞，新的文件到來以後，難以找到合適的空白塊，空間會被浪費。
看來這種方式不行，那怎麼辦呢？
既然在 inode 中記錄了文件所在的塊號，為什麼不擴展一下，多記錄幾塊呢？
原來在 inode 中只記錄了一個塊號，現在擴展一下，記錄 8 個塊號！而且這些塊不需要連續。
嗯，這是個可行的辦法！
但是這也僅僅能表示 8 個塊，能記錄的最大文件是 8K（記住，一個塊是 1K）, 現在的文件輕鬆就超過這個限制了，這怎麼辦？
很簡單，我們可以讓其中一個塊，作為間接索引。
這樣瞬間就有 263 個塊（多了 256 -1 個塊）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 個塊）。
我們的文件系統，暫且先只弄一個一級間接索引。硬碟一共才 1024 個塊，一個文件 263 個塊夠大了。再大了不允許，就這麼任性。
好了，現在我們已經可以保存很大的文件了，並且可以通過文件名和文件大小，將它們準確讀取出來啦！
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但我們得精益求精，我們再想想看這個文件系統有什麼毛病。
比如，inode 數量不夠時，我們是怎麼得知的呢？是不是需要在 inode 點陣圖中找，找不到了才知道不夠用了？
同樣，對於塊數量不夠時，也是如此。
要是有個全局的地方，來記錄這一切，就好了，也方便隨時調整，比如這樣
inode 數量
空閑 inode 數量
塊數量
空閑塊數量
那我們就再佔用一個塊來存儲這些數據吧！由於他們看起來像是站在上帝視角來描述這個文件系統的，所以我們把它放在最開始的塊上，並把它叫做超級塊，現在的布局如下。
我們繼續精益求精。
現在，塊點陣圖、inode 點陣圖、inode 表，都是是固定地佔據這塊 1、塊 2、塊 3 這三個位置。
假如之後 inode 的數量很多，使得 inode 表或者 inode 點陣圖需要佔據多個塊，怎麼辦？
或者，塊的數量增多（硬碟本身大了，或者每個塊變小了），塊點陣圖需要佔據多個塊，怎麼辦？
程式是死的，你不告訴它哪個塊表示什麼，它可不會自己猜。
很簡單，與超級塊記錄資訊一樣，這些資訊也選擇一個塊來記錄，就不怕了。那我們就選擇緊跟在超級塊後面的 1 號塊來記錄這些資訊吧，並把它稱之為塊描述符。
當然，這些所在塊號只是記錄起始塊號，塊點陣圖、inode 點陣圖、inode 表分別都可以佔用多個塊。
好了，大功告成！
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現在，我們再嘗試存入一批文件。
- 葵花寶典.txt
- 數學期末複習資料.mp4
- 贅婿1.mp4
- 贅婿2.mp4
- 贅婿3.mp4
- 贅婿4.mp4
- 低並發編程的秘密.pdf
誒？這看著好不爽，所有的文件都是平鋪開的，能不能擁有層級關係呢？比如這樣
- 葵花寶典.txt
- 數學期末複習資料.mp4
- 贅婿
- 贅婿1.mp4
- 贅婿2.mp4
- 贅婿3.mp4
- 贅婿4.mp4
- 低並發編程的秘密.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。
如何做到這一點呢？那我們又得把 inode 結構拿出來說事了。
此時需要一個屬性來區分這個文件是普通文件，還是目錄文件。
缺什麼就補什麼嘛，我們已經很熟悉了，專門加一個 4 位元組，來表示文件類型。
如果是普通文件，則這個 inode 所指向的數據塊仍然和之前一樣，就是文件本身原封不動的內容。
但如果是目錄文件，則這個 inode 所指向的數據塊，就需要重新規划了。
這個數據塊里應該是什麼樣子呢？可以是一個一個指向不同 inode 的緊挨著的結構體，比如這樣。
這樣先通過 贅婿 這個目錄文件，找到所在的數據塊。再根據這個數據塊里的一個個帶有 inode 資訊的結構體，找到這個目錄下的所有文件。
完美！
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不過這樣的話，你想想看，如果想要查看一下贅婿這個目錄下的所有文件（比如 ll 命令），將文件名和文件類型都展示出來，怎麼辦呢？
就需要把一個個結構體指向的 inode 從 inode 表中取出，再把文件名和文件類型取出，這很是浪費時間。
而讓用戶看到一個目錄下的所有文件，又是一個極其常見的操作。
所以，不如把文件名和文件類型這種常見的資訊，放在數據塊中的結構體里吧。
同時，inode 結構中的文件名，好像就沒啥用了，這種變長的東西放在這種定長的結構中本身就很討厭，早就想給它去掉了。而且還能給其他資訊省下空間，比如文件所在塊的數組，就能再多幾個了。
太好了，去掉它！
OK，大功告成，現在我們就可以給文件分門別類放進不同目錄下了，還可以在目錄下創建目錄，無限套娃！
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現在的文件系統，已經比較完善了，只是還有一點不太爽。
我們訪問到一個目錄下，可以很舒服地看到目錄里的文件，然後再根據名稱訪問這個目錄下的文件或者目錄，整個過程都是一個套路。
但是，最上層的目錄下的所有文件，即根目錄，現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一呢？
答案非常簡單，我們規定，inode 表中的 0 號 inode，就表示根目錄，一切的訪問，就從這個根目錄開始！
好了，這回沒有然後了！
我們最後來欣賞下我們的文件系統架構。
你是不是覺得這沒啥了不起的。但這個破玩意，它就叫文件系統
後記
這個文件系統，和 linux 上的經典文件系統 ext2 基本相同。
下面是我畫的 ext2 文件系統的結構（欄位部分只畫了核心欄位）
估計你是看不清了，我說下主要異同點：
1. 超級塊前面是啟動塊，這個是 PC 聯盟給硬碟規定的 1KB 專屬空間，任何文件系統都不能用它。
2. ext2 文件系統首先將整個硬碟分為很多塊組，但如果只有一個塊組的話，和我們的文件系統整體結構就完全一樣了，分別是超級塊、塊描述符、塊點陣圖、inode 點陣圖、inode 表、數據塊。
3. ext2 文件系統的 inode 表中用 15 個塊來定位文件，其中第 13 個塊為一級間接索引、14 個為二級間接索引、15 個為三級間接索引。
4. ext2 文件系統的文件類型分得更多，還有常見的如塊設備文件、字元設備文件、管道文件、socket 文件等。
5. ext2 文件系統的超級塊、塊描述符、inode 表中記錄的資訊更多，但核心的和我們的文件系統一樣，而且這些欄位在後續的 ext3 和 ext4 中不斷增加，保持向前兼容。
6. ext2 文件系統的 2 號 inode 為根目錄，而我們的系統是 0 號 inode 為根目錄，這個很隨意，你設計一個文件系統定一個 187 號 inode 為根目錄也沒人攔著你。
如果你想了解 ext2 文件系統的全部細節，有三種方式。
1. 看源碼，linux1.0 後的源碼都有 ext2 文件系統的實現，源碼是最準確的。
2. 看官方文檔，這裡有個 pdf 連接。
//www.nongnu.org/ext2-doc/ext2.pdf
3. 看優質部落格，這裡我推薦一個。
//docs.linuxtone.org/ebooks/C&CPP/c/ch29s02.html
4. 用 linux 的 mke2fs 命令生成一個 ext2 文件系統的磁碟鏡像，然後一個位元組一個位元組分析其格式。
如果看源碼和官方文檔毫不吃力，我當然主推這兩個，因為畢竟是一手資料。
但大多數人可能無法做到，有時也沒大必要，因此也可以看一些優質的部落格。
介紹思想的，我覺得我這一篇就算是很優質的一篇了，它會帶你從設計者角度了解為什麼這樣來設計文件系統。
介紹細節的，那些連文件系統的格式和欄位都寫不對的，就別看了，所以我這裡良心推薦一篇，就是上面的方式三，可以放心大膽，逐字逐句地食用。
最後你還可以用方式四，自己將文件系統鏡像導出來，進行分析。
最近寫這幾篇文章，我感覺對如何學會一項新的技術，有了點小心得，不知道大家是否感興趣，改天可以找一篇來專門和大家分享一下。
