當創建一個文件的時候，作業系統發生了什麼

• 2020 年 3 月 12 日
• 筆記

操作文件是我們平時經常有的操作。但是我們可能並不是很了解他們原理，比如為什麼刪除一個很大的文件，會非常快？創建一個文件的時候，系統發生了什麼？為什麼刪除的文件，還可以恢復？知其然知其所以然。我們一起深入探索文件系統的一些原理。這篇先分析一下創建文件的過程。

我們先看一下文件系統在硬碟中的布局。

我們再看一下文件系統在記憶體中的布局。

對著上面的圖，從左向右，我們看到 1 一個進程有一個文件描述符數組，這個描述符數組的元素，就是我們平時操作文件的時候，使用的那個fd。定義如下：

struct file * filp[NR_OPEN];

2 每個文件描述符只是索引，他對應的項指向一個file結構體，file結構體定義如下。

// 管理打開文件的記憶體屬性的結構，比如操作位置(inode沒有讀取操作位置這個概念，),實現系統進程共享inode  struct file {      unsigned short f_mode;      unsigned short f_flags;      unsigned short f_count;      struct m_inode * f_inode;      off_t f_pos;  };

file結構體是和inode的作用是不一樣的，inode是更多的是存儲文件的一些持久化的數據，比如大小，時間、屬主，數據塊位置等。inode是存在硬碟中的。在操作的文件的時候才會載入到記憶體。如果有修改，需要回寫硬碟。file存儲的是文件臨時的元數據，他只存在記憶體里。比如一個文件當前讀寫位置，打開模式等等。關閉文件後就會丟失這些數據。

3 在文件系統中，每一個文件都對應一個inode結構體。inode保存了一個文件的元數據，包括大小，時間，屬主，塊號等等。inode存在於硬碟和記憶體，記憶體的inode叫m_inode，他的部分屬性和硬碟inode一一對應（硬碟inode叫d_inode），還有一些是只存在記憶體中的屬性。我們看一下inode在硬碟中的布局。

了解一系列結構體後，我們開始分析創建文件的這個過程。主要是兩件事情，第一，判斷文件是否存在，如果不存在則開始創建。

1 根據路徑找到最後一級目錄對應的inode節點。目錄其實也是文件，他和一般文件的區別是，一般文件存儲的是用戶數據，目錄文件存儲的是文件資訊。目錄文件里存儲的數據就是一個對象數組，每個元素保存了文件名和inode節點號。

// 目錄項結構  struct dir_entry {      // inode號      unsigned short inode;      // 文件名      char name[NAME_LEN];  };

假設我們找/a/b/hello.txt這個文件。因為/是根文件系統的根路徑，他在文件系統初始化的時候，根文件系統會從固定的位置（第一個inode節點），把他對應的inode結構體載入到記憶體中。我們根據根inode，就知道根目錄下面有多少dir_entry，然後逐個比較找到目錄a對應的dir_entry，從dir_entry中得到目錄a的inode號，再根據a的inode號把inode結構體從硬碟中載入到記憶體，繼續這個過程，直到最後找到hello.txt。

2 所以我們從一個目錄下找一個目錄或者文件的時候，其實就是遍歷這個數組，對比name是否一樣，是的話根據inode號取出inode結構體，從而取得文件數據。

3 因為我們是創建文件，所以是肯定找不到的。

4 上面已經解釋過，一個文件對應一個inode。現在我們創建一個文件，那自然，我們就要先在硬碟中申請一個inode，並且修改文件系統的元數據inode點陣圖，即這個inode被使用了。然後再在記憶體中申請一個m_inode。供用戶操作文件的。至此，創建文件就完成了。我們發現，創建一個文件，底層發生的事情其實就是在硬碟申請一個inode就可以了。

5 當我們開始操作m_inode對應的文件的時候。比如寫入。回歸上面的inode結構體可以發現，這時候文件其實是沒有被分配硬碟空間的。現在需要寫入，那首先就要先在硬碟中申請一塊空間。並修改塊點陣圖資訊。然後申請一塊和該硬碟塊關聯的記憶體塊，用戶寫入的數據就存在該記憶體塊中，系統會定時回寫到硬碟中對應的塊。

這就是創建一個文件的大致過程。