linux文件系统实现原理

分区介绍

文件系统的最终目的是把大量数据有组织的放入持久性(persistant)的存储设备中，比如硬盘、磁盘。常见的存储设备，最开始的区域是MBR,用于Linux开机启动，剩余的空间可能分成数个分区(partition),每个分区有一个相关的分区表（Partition table），记录分区的相关信息，这个分区表是存储在分区之外的，分区表说明了对应分区的起始位置和分区大小。

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我们在windows系统常常看到c分区、d分区等，linux系统下也可以有多个分区，但都被挂载在同一个文件系统树上。一个典型的linux分区（partition）包含下面各个部分：

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分区的第一个部分是启动区（Boot block）, 它主要是为计算机开机服务的，linux开机启动后，会首先载入MBR,随后MBR从某个硬盘的启动区加载程序，该程序负责进一步的操作系统的加载和启动。为了方便管理，即使某个分区中没有安装操作系统，linux也会在该分区预留启动区。启动区之后是超级块，它存储文件系统相关信息，比如文件系统的类型，inode的数目，数据块的数目。随后是多个inodes，它们是实现文件存储的关键。在linux系统中，一个文件可以分成几个数据块存储，就像是分散在各地的龙珠一样，为了顺利地收集齐龙珠，我们需要一个雷达的指引：该文件对应的inode，每个文件对应一个inode，这个inode包含多个指针，指向属于该文件的各个数据块，当操作系统需要读取文件时，只需要对应的inode地图，收集起分散的数据块，就可以获取到我们的文件了。partition的最后一部分就是真正存储数据的数据块了（data blocks）。

inode介绍

上面我们介绍了存储设备的宏观结构，接下来我们要深入到分区的结构，特别是文件在分区的存储方式。文件是文件系统对数据的分割单元，文件系统利用目录来组织文件，赋予文件以上下分级的结构。在硬盘上实现这一分级结构的关键，是使用inode来虚拟普通文件和目录文件对象。我们知道一个文件除了自身的数据之外，还有一个附属信息，即文件的元数据（metadata），这个元数据用来记录文件大小，拥有人，所属组等信息。元数据并不包含在文件的数据中，它由操作系统维护。事实上，这个所谓的元数据包含在inode中，inode是文件从抽象到具体的关键，inode储存由一些指针，这些指针指向存储设备中的一些数据块，文件的内容就储存在这些数据块中。当Linux想要打开一个文件时，只需要找到文件对应的inode，然后沿着指针，将所有的数据块收集起来，就可以在内存中组成一个文件的数据了。

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inode并不是组织文件的唯一方式，最简单的组织文件方法，是把文件依次顺序存入存储设备，dvd就采取类似的方式，但如果有删除操作，删除造成的空余空间夹杂在正常文件之间，很难利用和管理。复杂的方式可以使用链表，每个数据块都有一个指针，指向属于同一文件的下一个数据块。这样的好处是可以利用零散的空余空间，坏处是对文件的操作必须按照线性方式进行。如果想随机存取，那么必须遍历链表，直到目标位置。由于这一遍历不是在内存进行，所以速度很慢。FAT系统是将上面链表的指针取出，放入到内存的一个数组中。这样，FAT可以根据内存的索引，迅速的找到一个文件。这样做的主要问题是，索引数组的大小与数据块的总数相同。因此，存储设备很大的话，这个索引数组会比较大。inode既可以充分利用空间，在内存占据空间不与存储设备相关，解决了上面的问题。但inode也有自己的问题。每个inode能够存储的数据块指针总数是固定的。如果一个文件需要的数据块超过这一总数，inode需要额外的空间来存储多出来的指针。

举列说明

在Linux中，我们通过解析路径，根据沿途的目录文件来找到某个文件。目录中的条目除了所包含的文件名，还有对应的inode编号。当我们输入stat filename，来查询某个文件对应的inode编号。）

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在存储设备中实际上存储为：

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当我们读取一个文件时，实际上是在目录中找到这个文件的inode编号，然后根据inode的指针，将数据块组合起来，放入内存来进一步处理。当我们写入一个文件时，是分配一个空表的inode给该文件，将其inode编号写入该文件所属的目录，然后选取空白的数据块，让inode的指针指向这些数据块，并写入内存中的数据。

文件共享

在Linux的进程中，当我们打开一个文件时，返回的是一个文件描述符。这个文件描述符是一个数组的下标，对应数组元素为一个指针。有趣的是，这个指针并没有直接指向文件的inode，而是指向了一个文件表格，再通过该表格，指向加载到内存中的目标文件的inode。如下图，一个进程打开了两个文件。

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可以看到，每个文件表格中记录了文件打开的状态(status flags)，比如只读，写入等，还记录了每个文件的当前读写位置(offset)。当有两个进程打开同一个文件时，可以有两个文件表格，每个文件表格对应的打开状态和当前位置不同，从而支持一些文件共享的操作，比如同时读取。要注意的是进程fork之后的情况，子进程将只复制文件描述符的数组，而和父进程共享内核维护的文件表格和inode。