Linux文件系統的實現 (圖文并茂,比較好)

作者：Vamei 出處：http://www.cnblogs.com/vamei 歡迎轉載，也請保留這段聲明。謝謝！

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Linux文件管理從用戶的層面介紹了Linux管理文件的方式。Linux有一個樹狀結構來組織文件。樹的頂端為根目錄(/)，節點為目錄，而末端的葉子為包含數據的文件。當我們給出一個文件的完整路徑時，我們從根目錄出發，經過沿途各個目錄，最終到達文件。

我們可以對文件進行許多操作，比如打開和讀寫。在Linux文件管理相關命令中，我們看到許多對文件進行操作的命令。它們大都基于對文件的打開和讀寫操作。比如cat可以打開文件，讀取數據，最后在終端顯示：

$cat test.txt

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對于Linux下的程序員來說，了解文件系統的底層組織方式，是深入進行系統編程所必備的。即使是普通的Linux用戶，也可以根據相關的內容，設計出更好的系統維護方案。

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存儲設備分區

文件系統的最終目的是把大量數據有組織的放入持久性(persistant)的存儲設備中，比如硬盤和磁盤。這些存儲設備與內存不同。它們的存儲能力具有持久性，不會因為斷電而消失；存儲量大，但讀取速度慢。

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觀察常見存儲設備。最開始的區域是MBR，用于Linux開機啟動(參考Linux開機啟動)。剩余的空間可能分成數個分區(partition)。每個分區有一個相關的分區表(Partition table)，記錄分區的相關信息。這個分區表是儲存在分區之外的。分區表說明了對應分區的起始位置和分區的大小。

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我們在Windows系統常常看到C分區、D分區等。Linux系統下也可以有多個分區，但都被掛載在同一個文件系統樹上。

數據被存入到某個分區中。一個典型的Linux分區(partition)包含有下面各個部分:

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分區的第一個部分是啟動區(Boot block)，它主要是為計算機開機服務的。Linux開機啟動后，會首先載入MBR，隨后MBR從某個硬盤的啟動區加載程序。該程序負責進一步的操作系統的加載和啟動。為了方便管理，即使某個分區中沒有安裝操作系統，Linux也會在該分區預留啟動區。

啟動區之后的是超級區(Super block)。它存儲有文件系統的相關信息，包括文件系統的類型，inode的數目，數據塊的數目。

隨后是多個inodes，它們是實現文件存儲的關鍵。在Linux系統中，一個文件可以分成幾個數據塊存儲，就好像是分散在各地的龍珠一樣。為了順利的收集齊龍珠，我們需要一個“雷達”的指引：該文件對應的inode。每個文件對應一個inode。這個inode中包含多個指針，指向屬于該文件各個數據塊。當操作系統需要讀取文件時，只需要對應inode的"地圖"，收集起分散的數據塊，就可以收獲我們的文件了。

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最后一部分，就是真正儲存數據的數據塊們(data blocks)了。

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inode簡介

上面我們看到了存儲設備的宏觀結構。我們要深入到分區的結構，特別是文件在分區中的存儲方式。

文件是文件系統對數據的分割單元。文件系統用目錄來組織文件，賦予文件以上下分級的結構。在硬盤上實現這一分級結構的關鍵，是使用inode來虛擬普通文件和目錄文件對象。

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在Linux文件管理中，我們知道，一個文件除了自身的數據之外，還有一個附屬信息，即文件的元數據(metadata)。這個元數據用于記錄文件的許多信息，比如文件大小，擁有人，所屬的組，修改日期等等。元數據并不包含在文件的數據中，而是由操作系統維護的。事實上，這個所謂的元數據就包含在inode中。我們可以用$ls -l filename來查看這些元數據。正如我們上面看到的，inode所占據的區域與數據塊的區域不同。每個inode有一個唯一的整數編號(inode number)表示。

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在保存元數據，inode是“文件”從抽象到具體的關鍵。正如上一節中提到的，inode儲存由一些指針，這些指針指向存儲設備中的一些數據塊，文件的內容就儲存在這些數據塊中。當Linux想要打開一個文件時，只需要找到文件對應的inode，然后沿著指針，將所有的數據塊收集起來，就可以在內存中組成一個文件的數據了。

?數據塊在1, 32, 0, ...

inode并不是組織文件的唯一方式。最簡單的組織文件的方法，是把文件依次順序的放入存儲設備，DVD就采取了類似的方式。但如果有刪除操作，刪除造成的空余空間夾雜在正常文件之間，很難利用和管理。

復雜的方式可以使用鏈表，每個數據塊都有一個指針，指向屬于同一文件的下一個數據塊。這樣的好處是可以利用零散的空余空間，壞處是對文件的操作必須按照線性方式進行。如果想隨機存取，那么必須遍歷鏈表，直到目標位置。由于這一遍歷不是在內存進行，所以速度很慢。

FAT系統是將上面鏈表的指針取出，放入到內存的一個數組中。這樣，FAT可以根據內存的索引，迅速的找到一個文件。這樣做的主要問題是，索引數組的大小與數據塊的總數相同。因此，存儲設備很大的話，這個索引數組會比較大。

inode既可以充分利用空間，在內存占據空間不與存儲設備相關，解決了上面的問題。但inode也有自己的問題。每個inode能夠存儲的數據塊指針總數是固定的。如果一個文件需要的數據塊超過這一總數，inode需要額外的空間來存儲多出來的指針。

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inode示例?

在Linux中，我們通過解析路徑，根據沿途的目錄文件來找到某個文件。目錄中的條目除了所包含的文件名，還有對應的inode編號。當我們輸入$cat /var/test.txt時，Linux將在根目錄文件中找到var這個目錄文件的inode編號，然后根據inode合成var的數據。隨后，根據var中的記錄，找到text.txt的inode編號，沿著inode中的指針，收集數據塊，合成text.txt的數據。整個過程中，我們參考了三個inode：根目錄文件，var目錄文件，text.txt文件的inodes。

在Linux下，可以使用$stat filename，來查詢某個文件對應的inode編號。

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在存儲設備中實際上存儲為：

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當我們讀取一個文件時，實際上是在目錄中找到了這個文件的inode編號，然后根據inode的指針，把數據塊組合起來，放入內存供進一步的處理。當我們寫入一個文件時，是分配一個空白inode給該文件，將其inode編號記入該文件所屬的目錄，然后選取空白的數據塊，讓inode的指針指像這些數據塊，并放入內存中的數據。

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文件共享

在Linux的進程中，當我們打開一個文件時，返回的是一個文件描述符。這個文件描述符是一個數組的下標，對應數組元素為一個指針。有趣的是，這個指針并沒有直接指向文件的inode，而是指向了一個文件表格，再通過該表格，指向加載到內存中的目標文件的inode。如下圖，一個進程打開了兩個文件。

可以看到，每個文件表格中記錄了文件打開的狀態(status flags)，比如只讀，寫入等，還記錄了每個文件的當前讀寫位置(offset)。當有兩個進程打開同一個文件時，可以有兩個文件表格，每個文件表格對應的打開狀態和當前位置不同，從而支持一些文件共享的操作，比如同時讀取。

要注意的是進程fork之后的情況，子進程將只復制文件描述符的數組，而和父進程共享內核維護的文件表格和inode。此時要特別小心程序的編寫。

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總結

這里概括性的總結了Linux的文件系統。Linux以inode的方式，讓數據形成文件。

了解Linux的文件系統，是深入了解操作系Linux原理的重要一步。