好傢伙，你管這破玩意叫文件系統？

你手裏有一塊硬盤，大小爲 1T

你還有一堆文件

這些文件在硬盤看來，就是一堆二進制數據而已

你準備把這些文件存儲在硬盤上，並在需要的時候讀取出來。

要設計怎樣的軟件，才能更方便地在硬盤中讀寫這些文件呢？

1

首先我不想和複雜的扇區，設備驅動等細節打交道，因此我先實現了一個簡單的功能，將硬盤按邏輯分成一個個的塊，並可以以塊爲單位進行讀寫。

每個塊就定義爲兩個物理扇區的大小，即 1024 字節，就是 1KB 啦。

硬盤太大不好分析，我們就假設你的硬盤只有 1MB，那麼這塊硬盤則有 1024 個塊。

OK，我們開始存文件啦！

準備一個文件

隨便選個塊放進去，3 號塊吧！

成功！首戰告捷！

2

再存一個文件！

誒？發現問題了，萬一這個文件也存到了 3 號塊，不是把原來的文件覆蓋了麼？不行，得有一個地方記錄，現在可使用的塊有哪些，像這樣。

塊 0：未使用

...

塊 1023：未使用

那我們就用 0 號塊，來記錄所有塊的使用情況吧！怎麼記錄呢？

位圖！

那我們給塊 0 起個名字，叫塊位圖，之後這個塊 0 就專門用來記錄所有塊的使用情況，不再用來存具體文件了。

當我們再存入一個新文件時，只需要在塊位圖中找到第一個爲 0 的位，就可以找到第一個還未被使用的塊，將文件存入。同時，別忘了把塊位圖中的相應位置 1。

完美！

3

下面，我們嘗試讀取剛剛的文件。

咦？又遇到問題了，我怎麼找到剛剛的文件呢？根據塊號麼？這也太蠢了，就像你去書店找書，店員讓你提供書的編號，而不是書名，顯然不合理。

葵花寶典. txt：3 號塊

數學期末複習資料. mp4：5 號塊

低併發編程的祕密. pdf：10 號塊

...

別急，既然都要選一個地方記錄文件名稱了，不妨多記錄一點我們關心的信息吧，比如文件大小、文件創建時間、文件權限等。

這些東西自然也要保存在硬盤上，我們選擇用一個固定大小的空間，來表示這些信息，多大空間呢？128 字節吧。

爲啥是 128 字節呢？我樂意。

我們將這 128 字節的結構體，叫做一個 inode。

之後，我們每存入一個新的文件，不但要佔用一個塊來存放這個文件本身，還要佔用一個 inode 來存放文件的這些元信息，並且這個 inode 的所在塊號這個字段，就指向這個文件所在的塊號。

如果一個 inode 爲 128 字節，那麼一個塊就可以容納 8 個 inode，我們可以將這些 inode 編上號。

如果你覺得 inode 數不夠，也可以用兩個或者多個塊來存放 inode 信息，但這樣用於存放數據的塊就少了，這就看你自己的平衡了。

同樣，和塊位圖管理塊的使用情況一樣，我們也需要一個 inode 位圖，來管理 inode 的使用情況。我們就把 inode 位圖，放在 1 號塊吧！

同時，我們把 inode 信息，放在 2 號塊，一共存 8 條 inode，這樣我們的 2 號塊就叫做 inode 表。

4

現在，我們的文件很小，一個塊就能容下。

但如果需要兩個塊、三個塊、四個塊呢？

很簡單，我們只需要採用連續存儲法，而 inode 則只記錄文件的第一個塊，以及後面還需要多少塊，即可。

這種辦法的缺點就是：容易留下大大小小的空洞，新的文件到來以後，難以找到合適的空白塊，空間會被浪費。

看來這種方式不行，那怎麼辦呢？

既然在 inode 中記錄了文件所在的塊號，爲什麼不擴展一下，多記錄幾塊呢？

原來在 inode 中只記錄了一個塊號，現在擴展一下，記錄 8 個塊號！而且這些塊不需要連續。

嗯，這是個可行的辦法！

但是這也僅僅能表示 8 個塊，能記錄的最大文件是 8K（記住，一個塊是 1K）, 現在的文件輕鬆就超過這個限制了，這怎麼辦？

很簡單，我們可以讓其中一個塊，作爲間接索引。

這樣瞬間就有 263 個塊（多了 256 -1 個塊）可用了，這種索引叫一級間接索引。

如果還嫌不夠，就再弄一個塊做一級間接索引，或者做二級間接索引（二級間接索引則可以多出 256 * 256 - 1 個塊）。

我們的文件系統，暫且先只弄一個一級間接索引。硬盤一共才 1024 個塊，一個文件 263 個塊夠大了。再大了不允許，就這麼任性，愛用不用。

好了，現在我們已經可以保存很大的文件了，並且可以通過文件名和文件大小，將它們準確讀取出來啦！

5

但我們得精益求精，我們再想想看這個文件系統有什麼毛病。

比如，inode 數量不夠時，我們是怎麼得知的呢？是不是需要在 inode 位圖中找，找不到了才知道不夠用了？

同樣，對於塊數量不夠時，也是如此。

要是有個全局的地方，來記錄這一切，就好了，也方便隨時調整，比如這樣

inode 數量

塊數量

空閒塊數量

那我們就再佔用一個塊來存儲這些數據吧！由於他們看起來像是站在上帝視角來描述這個文件系統的，所以我們把它放在最開始的塊上，並把它叫做超級塊，現在的佈局如下。

我們繼續精益求精。

現在，塊位圖、inode 位圖、inode 表，都是是固定地佔據這塊 1、塊 2、塊 3 這三個位置。

假如之後 inode 的數量很多，使得 inode 表或者 inode 位圖需要佔據多個塊，怎麼辦？

或者，塊的數量增多（硬盤本身大了，或者每個塊變小了），塊位圖需要佔據多個塊，怎麼辦？

程序是死的，你不告訴它哪個塊表示什麼，它可不會自己猜。

很簡單，與超級塊記錄信息一樣，這些信息也選擇一個塊來記錄，就不怕了。那我們就選擇緊跟在超級塊後面的 1 號塊來記錄這些信息吧，並把它稱之爲塊描述符。

當然，這些所在塊號只是記錄起始塊號，塊位圖、inode 位圖、inode 表分別都可以佔用多個塊。

好了，大功告成！

6

現在，我們再嘗試存入一批文件。

誒？這看着好不爽，所有的文件都是平鋪開的，能不能擁有層級關係呢？比如這樣

我們將葵花寶典. txt 這種稱爲普通文件，將贅婿這種稱爲目錄文件，如果要訪問贅婿 1.mp4，那全文件名要寫成

贅婿 / 贅婿 1.mp4。

如何做到這一點呢？那我們又得把 inode 結構拿出來說事了。

此時需要一個屬性來區分這個文件是普通文件，還是目錄文件。

缺什麼就補什麼嘛，我們已經很熟悉了，專門加一個 4 字節，來表示文件類型。

如果是普通文件，則這個 inode 所指向的數據塊仍然和之前一樣，就是文件本身原封不動的內容。

但如果是目錄文件，則這個 inode 所指向的數據塊，就需要重新規劃了。

這個數據塊裏應該是什麼樣子呢？可以是一個一個指向不同 inode 的緊挨着的結構體，比如這樣。

這樣先通過 **贅婿 **這個目錄文件，找到所在的數據塊。再根據這個數據塊裏的一個個帶有 inode 信息的結構體，找到這個目錄下的所有文件。

完美！

7

不過這樣的話，你想想看，如果想要查看一下贅婿這個目錄下的所有文件（比如 ll 命令），將文件名和文件類型都展示出來，怎麼辦呢？

就需要把一個個結構體指向的 inode 從 inode 表中取出，再把文件名和文件類型取出，這很是浪費時間。

而讓用戶看到一個目錄下的所有文件，又是一個極其常見的操作。

所以，不如把文件名和文件類型這種常見的信息，放在數據塊中的結構體裏吧。

同時，inode 結構中的文件名，好像就沒啥用了，這種變長的東西放在這種定長的結構中本身就很討厭，早就想給它去掉了。而且還能給其他信息省下空間，比如文件所在塊的數組，就能再多幾個了。

太好了，去掉它！

OK，大功告成，現在我們就可以給文件分門別類放進不同目錄下了，還可以在目錄下創建目錄，無限套娃！

8

現在的文件系統，已經比較完善了，只是還有一點不太爽。

我們訪問到一個目錄下，可以很舒服地看到目錄裏的文件，然後再根據名稱訪問這個目錄下的文件或者目錄，整個過程都是一個套路。

但是，最上層的目錄下的所有文件，即根目錄，現在仍然需要通過遍歷所有的 inode 來獲得，能不能和上面的套路統一呢？

答案非常簡單，我們規定，inode 表中的 0 號 inode，就表示根目錄，一切的訪問，就從這個根目錄開始！

好了，這回沒有然後了！

我們最後來欣賞下我們的文件系統架構。

你是不是覺得這沒啥了不起的。

但這個破玩意，它就叫文件系統

這個文件系統，和 linux 上的經典文件系統 ext2 基本相同。

下面是作者畫的 ext2 文件系統的結構（字段部分只畫了核心字段）

估計你是看不清了，我說下主要異同點：

  1. 超級塊前面是啓動塊，這個是 PC 聯盟給硬盤規定的 1KB 專屬空間，任何文件系統都不能用它。

  2. ext2 文件系統首先將整個硬盤分爲很多塊組，但如果只有一個塊組的話，和我們的文件系統整體結構就完全一樣了，分別是超級塊、塊描述符、塊位圖、inode 位圖、inode 表、數據塊。

  3. ext2 文件系統的 inode 表中用 15 個塊來定位文件，其中第 13 個塊爲一級間接索引、14 個爲二級間接索引、15 個爲三級間接索引。

  4. ext2 文件系統的文件類型分得更多，還有常見的如塊設備文件、字符設備文件、管道文件、socket 文件等。

  5. ext2 文件系統的超級塊、塊描述符、inode 表中記錄的信息更多，但核心的和我們的文件系統一樣，而且這些字段在後續的 ext3 和 ext4 中不斷增加，保持向前兼容。

6. ext2 文件系統的 2 號 inode 爲根目錄，而我們的系統是 0 號 inode 爲根目錄，這個很隨意，你設計一個文件系統定一個 187 號 inode 爲根目錄也沒人攔着你。

如果你想了解 ext2 文件系統的全部細節，有三種方式。

  1. 看源碼，linux1.0 後的源碼都有 ext2 文件系統的實現，源碼是最準確的。

  2. 看官方文檔，這裏有個 pdf 連接。
    https://www.nongnu.org/ext2-doc/ext2.pdf

  3. 看優質博客，這裏我推薦一個。
    http://docs.linuxtone.org/ebooks/C&CPP/c/ch29s02.html

  4. 用 linux 的 mke2fs 命令生成一個 ext2 文件系統的磁盤鏡像，然後一個字節一個字節分析其格式，可以在公衆號 低併發編程 回覆 ext2 獲得我的鏡像分析文件。

如果看源碼和官方文檔毫不喫力，我當然主推這兩個，因爲畢竟是一手資料。

但大多數人可能無法做到，有時也沒大必要，因此也可以看一些優質的博客。

介紹思想的，我覺得我這一篇就算是很優質的一篇了，它會帶你從設計者角度瞭解爲什麼這樣來設計文件系統。

介紹細節的，那些連文件系統的格式和字段都寫不對的，就別看了，所以我這裏良心推薦一篇，就是上面的方式三，可以放心大膽，逐字逐句地食用。

最後你還可以用方式四，自己將文件系統鏡像導出來，進行分析。

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/2Sv1S0Ti2Mb1d6yCXvm5FQ

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