什么是位图
位图（bitmap）的定义
- 维基百科中关于位图的介绍：
一种数据结构，代表了有限域中的稠集（dense set），每一个元素至少出现一次，没有其他的数据和元素相关联。在索引、数据压缩等方面有广泛应用。
- 自己的理解
位图就是按位(bit)来记录、索引某个对象状态的图表(map)，即用每一位（bit）来存放每一个对象的某种状态（例如分别用0和1表示的话，可以表示同一对象的两种状态）。
这在数据规模大、而数据状态又不是很多的情况下，用来索引判断某个数据的状态（如存不存在、有没有被使用等）很方便。
Linux内核中的位图
位图接口的声明
位图在Linux内核中被大量使用。下面的源代码文件包含这些位图结构的通用接口：
- lib/bitmap.c
- include/linux/bitmap.h
除了这两个文件，还有一个特定的架构头文件，对特定架构的位运算进行优化。对于x86_64架构，使用下面头文件：
- arch/x86/include/asm/bitops.h
在Linux内核中，位图是一个unsigned long类型的数组。因此，一个位图可以简单地声明为：
unsigned long my_bitmap[16]; /* 声明一个16比特的位图 */
它就像这个样子：
位图示例
将数据【5，1，7，15，0，4，6，10】存入后，结构变为：
置位操作
实际上，在Linux内核中有一个专门的DECLARE_BITMAP宏来声明位图（该宏位于头文件include/linux/types.h中）：
#define DECLARE_BITMAP(name,bits)
unsigned long name[BITS_TO_LONGS(bits)]
其中，参数name是位图的名字，bits是位图中比特的总数目。
Linux内核源码中对位图的介绍：
19 /*
20 * bitmaps provide an array of bits, implemented using an an
21 * array of unsigned longs. The number of valid bits in a
22 * given bitmap does _not_ need to be an exact multiple of
23 * BITS_PER_LONG.
24 *
25 * The possible unused bits in the last, partially used word
26 * of a bitmap are 'don't care'. The implementation makes
27 * no particular effort to keep them zero. It ensures that
28 * their value will not affect the results of any operation.
29 * The bitmap operations that return Boolean (bitmap_empty,
30 * for example) or scalar (bitmap_weight, for example) results
31 * carefully filter out these unused bits from impacting their
32 * results.
33 *
34 * These operations actually hold to a slightly stronger rule:
35 * if you don't input any bitmaps to these ops that have some
36 * unused bits set, then they won't output any set unused bits
37 * in output bitmaps.
38 *
39 * The byte ordering of bitmaps is more natural on little
40 * endian architectures. See the big-endian headers
41 * include/asm-ppc64/bitops.h and include/asm-s390/bitops.h
42 * for the best explanations of this ordering.
43 */
位图的两个重要操作
置位（set bit）和清零（clear bit）是位图的两种重要的操作，在头文件arch/x86/include/asm/bitops.h实现了这些操作。在这两类操作中，每个函数分两种类型：原子类型和非原子类型。非原子类型的实现比较简单，介绍如下：
置位操作
/**
* __set_bit - Set a bit in memory
* @nr: the bit to set （位图中的比特数目）
* @addr: the address to start counting from （位图中某个比特需要设值的地址）
*
* Unlike set_bit(), this function is non-atomic and may be reordered.
* If it's called on the same region of memory simultaneously, the effect
* may be that only one operation succeeds.
*/
static inline void __set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr)
{
asm volatile("bts %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr) : "memory");
}
在该函数中，指令bts用来选择位图中的某个比特值 来作为首个操作数，然后将已选择的比特值 存入寄存器CF标签中，并设置此比特位。
清零操作
static inline void __clear_bit(long nr, volatile unsigned long *addr)
{
asm volatile("btr %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr));
}
该函数用来清除某个地址的某个比特值。
指令btr与指令bts类似，选择某个比特值作为首个操作数，然后将其值存入寄存器CF标签中，并清除位图中的这个比特值，并且将位图作为指令的第二个操作数。
位图在Ext2文件系统中的应用
Ext2文件系统结构图示意如下：
ext2文件系统结构示意图
在Ext2文件系统中，采用了位图来存储信息的结构有：
- 组描述符表（GDT，Group Descriptor Table，可用
df命令查看） - 块位图（Block Bitmap）
- inode位图（inode Bitmap）
各项具体含义参考文章
查找文件流程
以查找/home/slot目录下的文件myfile为例，该文件的完整路径就是/home/slot/myfile，系统首先从根目录/开始查找，根目录/的inode编号固定为2：
根目录的inode编号
在根目录/下的目录项中查找名字为home的目录:
根目录下的文件信息
实际上目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项（dirent）的列表。每个目录项由以下几部分组成：
- 所包含文件的文件名;
- 文件名对应的inode编号；
- 文件类型；
- 记录长度。
接下来根据文件名找到其对应的inode编号：
home对应的inode编号
（同理依次找到目录slot下文件myfile的inode编号。）
再接下来，根据inode编号，查看inode table，找到具体的inode，inode中记录了两类信息：
- 文件属性；
- 文件指针。
其中，文件指针指向磁盘上的数据块（data block），文件的具体信息就存储在这些block上。所以，最终根据这些文件指针找到文件内容。
注意：
最后三个文件指针都是间接指针，指向间接寻址块（Indirect Block）（一级、二级、三级间接寻址），而非数据块。
整个流程如下图所示：
文件寻址流程
删除文件流程
当使用命令 rm filename 删除一个文件时，系统实际上是删除了其inode编号，具体是每调用一次 rm filename 命令，就将filename对应的inode编号的硬连接数减一（并删除相应目录下的目录项），当硬连接数减为0时系统才释放该inode编号，以待分配给其它新的文件使用。
系统每次分配inode编号，是从所有可用的inode编号中选择最小的那个。
当然，在删除inode编号之前，系统要先释放数据块（即将bitmap中对应的位清零）。
所以，使用rm命令实际上只是删除了文件的inode编号（这也是为什么一般删除操作都很快），而文件数据仍然存放在磁盘上，只是无法再查看到。因此，只要找到文件对应的inode信息，就可以将文件内容恢复出来（前提是这些数据block没有被后来的其它数据所覆盖。所以在误删文件后，应立即停止所有写操作，以防止原有数据被覆盖）。
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