圖解 Linux 文件系統(tǒng)
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之前我寫(xiě)過(guò)有關(guān) Linux 文件系統(tǒng)源碼分析的文章，但從源碼角度分析文件系統(tǒng)略顯枯燥(對(duì)新手不友好)，所以這次主要通過(guò)圖文的方式來(lái)講解 Linux 文件系統(tǒng)的原理，而不用陷入源代碼的深淵之中。
一、硬盤(pán)簡(jiǎn)介
在介紹文件系統(tǒng)前，我們先來(lái)了解一下 硬盤(pán)。
眾所周知，內(nèi)存在斷電后數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都通過(guò) 硬盤(pán) 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。也就是說(shuō)，硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)在斷電后依然能夠保存下來(lái)。
現(xiàn)在比較流行的硬盤(pán)分為：機(jī)械硬盤(pán)(HDD) 和 固態(tài)硬盤(pán)(SSD)。由于本文重點(diǎn)介紹的對(duì)象是 文件系統(tǒng)，所以對(duì)于硬盤(pán)的原理就不進(jìn)行過(guò)多的介紹。下面是 機(jī)械硬盤(pán) 和 固態(tài)硬盤(pán) 的對(duì)照?qǐng)D：
我們可以把硬盤(pán)想象成一個(gè)巨大的數(shù)組，而數(shù)組的每個(gè)元素代表一個(gè)數(shù)據(jù)塊，如下圖：
在 Linux 內(nèi)核中，每個(gè)數(shù)據(jù)塊定義為 4KB 的大小，所以一個(gè) 128GB 的硬盤(pán)可以分為 33554432 個(gè)數(shù)據(jù)塊，內(nèi)核就是以數(shù)據(jù)塊的編號(hào)來(lái)對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)操作的。
二、什么是文件系統(tǒng)
前面說(shuō)過(guò)，內(nèi)核是以數(shù)據(jù)塊的形式來(lái)對(duì)硬盤(pán)進(jìn)行讀寫(xiě)的，但是這對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)是非常不直觀的，因?yàn)槲覀儾豢赡苡涀∶恳粋€(gè)數(shù)據(jù)塊保存了什么數(shù)據(jù)。
為了讓用戶在使用上更方便和直觀，Linux 內(nèi)核抽象出兩個(gè)概念來(lái)管理硬盤(pán)中的數(shù)據(jù)：文件(File) 和 目錄(Directory)。
文件：用于保存數(shù)據(jù)。
目錄：用于保存文件列表，當(dāng)然目錄也可以保存目錄。
由于數(shù)據(jù)是保存在硬盤(pán)數(shù)據(jù)塊中，所以文件只需要記錄哪些數(shù)據(jù)塊屬于當(dāng)前文件即可。如下圖所示：
從上圖可以看出，目錄中既可以保存文件，也可以保存目錄。而文件中保存的是屬于當(dāng)前文件的數(shù)據(jù)塊編號(hào)，所以當(dāng)讀寫(xiě)文件時(shí)，只需要找到文件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫(xiě)即可。
三、MINIX 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
現(xiàn)在，我們以 MINIX 文件系統(tǒng)來(lái)詳細(xì)介紹文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。由于 MINIX 文件系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，所以適合用于教學(xué)使用。
1. MINIX 文件與目錄
在 MINIX 文件系統(tǒng)中，以 minix2_inode 對(duì)象來(lái)描述一個(gè)文件。我們來(lái)看看 minix2_inode 的定義：
- struct minix2_inode {
- __u16 i_mode; // 模式
- __u16 i_nlinks; // 鏈接數(shù)
- __u16 i_uid; // 所屬用戶UID
- __u16 i_gid; // 所屬組ID
- __u32 i_size; // 文件大小
- __u32 i_atime; // 訪問(wèn)時(shí)間
- __u32 i_mtime; // 修改時(shí)間
- __u32 i_ctime; // 創(chuàng)建時(shí)間
- __u32 i_zone[10]; // 文件數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊編號(hào)
- };
我們需要特別關(guān)注 minix2_inode 對(duì)象的 i_zone 字段，它就是用來(lái)記錄屬于當(dāng)前文件的數(shù)據(jù)塊編號(hào)。從定義來(lái)看，i_zone 是一個(gè)用于 10 個(gè)元素的整型數(shù)組，那么是否就說(shuō)明 MINIX 的文件只能保存 40 KB 的數(shù)據(jù)呢?
答案是否定的，因?yàn)?MINIX 文件系統(tǒng)將 i_zone 數(shù)組分為 4 個(gè)部分：前 7 個(gè)元素直接指向保存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊編號(hào)，也就是數(shù)據(jù)會(huì)直接存儲(chǔ)在這些數(shù)據(jù)塊上，而第 8 個(gè)元素是一級(jí)間接指向，第 9 個(gè)元素是二級(jí)間接指向，第 10 個(gè)元素是三級(jí)間接指向。我們通過(guò)下圖來(lái)說(shuō)明這個(gè)關(guān)系：
通過(guò)這種多級(jí)指向的方式，一個(gè) MINIX 文件就可以保存超過(guò) 40KB 的數(shù)據(jù)。
有描述文件的對(duì)象，那么也應(yīng)該有描述目錄的對(duì)象吧?在 MINIX 文件系統(tǒng)中，目錄也是使用 minix2_inode 對(duì)象來(lái)描述的。那么怎么區(qū)分文件和目錄呢?
在 minix2_inode 對(duì)象中有個(gè) 名為i_mode 的字段，它保存著 minix2_inode 對(duì)應(yīng)的類(lèi)型，普通文件使用 S_IFREG 標(biāo)志來(lái)表示，而目錄使用 S_IFDIR 來(lái)表示。所以從本質(zhì)來(lái)看，目錄也是一種特殊的文件。
普通文件的數(shù)據(jù)塊保存的是文件的數(shù)據(jù)，那么目錄的數(shù)據(jù)塊保存的是什么?答案就是文件列表，而文件列表的每個(gè)表項(xiàng)使用 minix_dir_entry 對(duì)象表示，定義如下：
- struct minix_dir_entry {
- __u16 inode;
- char name[0];
- };
inode：當(dāng)前文件對(duì)應(yīng)的 minix2_inode 對(duì)象所處于 inode 數(shù)組的索引，我們暫時(shí)可以忽略此字段的作用，下面將會(huì)介紹。
name：用于記錄當(dāng)前文件的文件名，由于文件名的長(zhǎng)度是不固定的，所以這里使用了柔性數(shù)組(大小可變的數(shù)據(jù))來(lái)表示。
我們通過(guò)下圖來(lái)展示文件與目錄所指向的數(shù)據(jù)內(nèi)容的區(qū)別：
上圖展示了文件與目錄兩個(gè)明顯的區(qū)別：
- 文件的 i_mode 字段設(shè)置為 S_IFREG，而目錄的 i_mode 字段設(shè)置為 S_IFDIR。
- 文件的 i_zone 字段指向的數(shù)據(jù)塊保存的是文件的數(shù)據(jù)，而目錄的 i_zone 字段指向的數(shù)據(jù)塊保存的是文件列表。
2. MINIX 文件系統(tǒng)格式化
現(xiàn)在，我們基本了解 MINIX 文件系統(tǒng)對(duì)文件與目錄的存儲(chǔ)方式了，接下來(lái)我們將會(huì)介紹 MINIX 文件系統(tǒng)怎么管理硬盤(pán)中的文件和目錄，也就是我們常說(shuō)的 格式化。
前面說(shuō)過(guò)，我們可以把硬盤(pán)當(dāng)成一個(gè)由數(shù)據(jù)塊組成的巨大數(shù)組，那么 MINIX 文件系統(tǒng)會(huì)把硬盤(pán)劃分為以下幾個(gè)部分，如下圖所示：
下面我們對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行解說(shuō)：
- 引導(dǎo)塊：占用一個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)使用，我們可以忽略。
- 超級(jí)塊：占用一個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于保存文件系統(tǒng)的信息，MINIX 文件系統(tǒng)使用 minix_super_block 對(duì)象來(lái)保存文件系統(tǒng)的信息，如 inode位圖 占用幾個(gè)數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊位圖 占用幾個(gè)數(shù)據(jù)塊等。
- inode位圖：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于描述 inode表 中哪些成員已經(jīng)被使用，每個(gè)位表示一個(gè) inode 的使用情況。
- 數(shù)據(jù)塊位圖：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于描述 數(shù)據(jù)塊列表 中哪些成員已經(jīng)被使用，每個(gè)位表示一個(gè)數(shù)據(jù)塊的使用情況。
- inode表：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，由多個(gè) minix2_inode 對(duì)象組成，每個(gè) minix2_inode 對(duì)象表示一個(gè)文件或目錄。
- 數(shù)據(jù)塊列表：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于保存文件的數(shù)據(jù)。
上圖就是 MINIX 文件系統(tǒng)在硬盤(pán)中的格式化結(jié)構(gòu)，我們先來(lái)看看 超級(jí)塊 記錄的信息有哪些，超級(jí)塊是由 minix_super_block 對(duì)象表示，其定義如下：
- struct minix_super_block {
- __u16 s_ninodes; // inode表的元素個(gè)數(shù)
- __u16 s_nzones; // 數(shù)據(jù)塊列表的元素個(gè)數(shù)(v1版本)
- __u16 s_imap_blocks; // inode位圖占用的數(shù)據(jù)塊數(shù)量
- __u16 s_zmap_blocks; // 數(shù)據(jù)塊位圖占用的數(shù)據(jù)塊數(shù)量
- __u16 s_firstdatazone; // 第一個(gè)數(shù)據(jù)塊起始號(hào)
- __u16 s_log_zone_size;
- __u32 s_max_size; // 文件最大尺寸
- __u16 s_magic; // 魔數(shù)(用于識(shí)別MINIX文件系統(tǒng))
- __u16 s_state; // 文件系統(tǒng)狀態(tài)
- __u32 s_zones; // 數(shù)據(jù)塊列表的元素個(gè)數(shù)(v2版本)
- };
minix_super_block 每個(gè)字段的作用都在注釋中進(jìn)行了說(shuō)明，通過(guò) minix_super_block 對(duì)象我們可以了解到 MINIX 文件系統(tǒng)的信息。
3. 讀取文件過(guò)程
了解了 MINIX 文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織，現(xiàn)在我們介紹一下 MINIX 文件系統(tǒng)讀取文件的過(guò)程。
例如，我們要讀取 /home/file.txt 文件的內(nèi)容，MINIX 文件系統(tǒng)是怎么準(zhǔn)確地查找到文件并且讀取其中的內(nèi)容呢?下面我們進(jìn)行分步來(lái)描述這個(gè)過(guò)程。
第一步：讀取根目錄
要讀取 /home/file.txt 文件，首先要從根目錄 / 開(kāi)始，MINIX 文件系統(tǒng)約定根目錄使用 inode表 的第一個(gè)元素進(jìn)行存儲(chǔ)。如下圖：
如上圖所示，根目錄使用 inode表 的第一個(gè)元素進(jìn)行存儲(chǔ)，然后從根目錄的文件列表中查找目錄 home。從上圖可以看出，home 目錄的 inode索引 為 5，表示 home 目錄存儲(chǔ)在 inode表 的第 5 個(gè)元素中。
第二步：讀取 home 目錄
知道 home 目錄的 inode索引 為 5 后，再讀取 inode表 的第 5 個(gè)元素，然后再?gòu)?home 目錄的文件列表中查找文件 file.txt，過(guò)程如下圖：
如上圖所示，從 home 目錄的文件列表中找到 file.txt 文件的 inode索引 為 9，所以現(xiàn)在可以通過(guò)讀取 inode表 的第 9 個(gè)元素來(lái)獲得 file.txt 文件對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)。
第三步：讀取 file.txt 文件的內(nèi)容
現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了 file.txt 文件對(duì)應(yīng)的 inode索引，所以從 inode表 中讀取第 9 個(gè)元素即可獲得 file.txt 文件的 inode節(jié)點(diǎn)，然后就可以通過(guò) inode節(jié)點(diǎn) 的 i_zone 字段所指向的數(shù)據(jù)塊來(lái)讀取文件的內(nèi)容，如下圖所示：
如上圖所示，通過(guò)讀取 inode表 的第 9 個(gè)元素獲得 file.txt 文件的 inode節(jié)點(diǎn) 后，可以通過(guò) inode節(jié)點(diǎn) 的 i_zone 字段所指向的數(shù)據(jù)塊讀取文件的內(nèi)容。
另外說(shuō)明一下，inode位圖 和 數(shù)據(jù)塊位圖 用于創(chuàng)建文件時(shí)，快速查找哪些 inode節(jié)點(diǎn) 和 數(shù)據(jù)塊 沒(méi)有被使用的。
四、總結(jié)
本文通過(guò) MINIX 這種簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)來(lái)介紹怎么設(shè)計(jì)一個(gè)文件系統(tǒng)，雖然 Linux 系統(tǒng)有多種文件系統(tǒng)，但其基本思想都是怎么有效地管理硬盤(pán)的數(shù)據(jù)。所以，掌握 MINIX 文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)理解其他不同的文件系統(tǒng)有非常大的幫助。
