你手上有个硬盘，1T大小，还有一堆文件。从硬盘的角度来看，这些文件只是一堆二进制数据。您将把这些文件存储在硬盘上，并在需要时将它们读出。应该设计什么样的软件来更方便的读写硬盘中的这些文件呢？1、首先，我不想处理复杂的扇区和设备驱动等细节问题，所以先实现了一个简单的功能，将硬盘逻辑上一个一个地划分为Block，可以以block为单位进行读写.每个块定义为两个物理扇区的大小，即1024字节，也就是1KB。硬盘太大，无法分析。让我们假设你的硬盘只有1MB，那么这个硬盘有1024个块。好的，让我们开始保存文件吧！准备一个文件，选择一个block放到里面，block3！成功！首战告捷！2保存另一个文件！嗯？发现一个问题，万一这个文件也保存到block3，原来的文件不是被覆盖了吗？不行，必须有一个地方记录现在有哪些块可用，像这样。Block0:UnusedBlock1:UnusedBlock2:UnusedBlock3:UsedBlock4:Unused...Block1023:Unused那我们就用block0来记录下所有block的使用情况吧！如何记录呢？位图！我们给block0起个名字，叫blockbitmap，然后这个block0用来记录所有block的使用情况，不再用来存放具体的文件。当我们保存一个新文件时，我们只需要找到块位图中第一个为0的位，就可以找到第一个未使用的块并保存文件。同时别忘了将block位图中对应的位置设置为1，完美！3接下来我们尝试读取刚才的文件。嗯？我又遇到了问题。怎么才能找到刚才的文件呢？根据块号？合理的。所以我们给每个文件起一个名字，叫做文件名，用它来查找文件。那么一定要有一个地方记录文件名和块号的对应关系，像这样。向日葵合集.txt：Block3的数学期末复习资料.mp4：Block5的低并发编程秘诀.pdf：Block10...不用着急，既然要选地记录文件名，不妨多记录一点我们关心的信息，比如文件大小、文件创建时间、文件权限等，自然这些东西也需要存储在硬盘上。我们选择使用固定大小的空间来表示这些信息。空间有多大？128字节。为什么是128字节？我喜欢。我们称这个128字节的结构为inode。之后，我们每存储一个新文件，不仅需要占用一个block来存储文件本身，还需要占用一个inode来存储文件的元信息，inode的块号字段指向文件的位置。块号。如果一个inode是128字节，那么一个block可以容纳8个inode，我们可以给这些inode编号。如果觉得inode数量不够，也可以用两个或更多的block来存储inode信息，但是这样存储数据的block会变少，就看自己的平衡了。同样，就像块位图管理块的使用一样，我们也需要一个inode位图来管理inode的使用。让我们把inode位图放在块1中！同时我们把inode信息放在block2里面，一共有8个inode，所以我们的block2就叫做inode表。现在，我们的文件系统结构变成了这样。注意：块位图用于管理可用块，每一位代表一个块是否被使用。inode位图是一个一个管理inode，而不是inode占用的block。比如上图中有8个inode，那么inode位图中就有8位来管理它们的使用与否。4现在，我们的文件很小，可以放在一个块中。但是，如果需要两个块、三个块或四个块怎么办？很简单，我们只需要采用连续存储的方式，inode只记录文件的第一个block，后面需要多少个block。这种方法的缺点是容易留下大大小小的孔洞。新文件到来后，很难找到合适的空白块，空间就会浪费。这个方法好像不行，怎么办？既然inode中记录了文件的block号，为什么不扩容多记录几个block呢？本来在inode中只记录了一个块号，现在扩大一下，记录8个块号！而且这些块不需要是连续的。嗯，这是一个可行的办法！但是这只能代表8个block，而能记录的文件最大是8K（记住，一个block是1K），当前文件很容易超过这个限制。我应该怎么办？很简单，我们可以让其中一个块充当间接索引。这样一来，瞬间就有263个块（256-1个块）可用。这种索引称为一级间接索引。如果还不够，再做一个block做一级间接索引，或者二级间接索引（二级间接索引可以有256*256-1个block）。我们的文件系统，暂时只有一级间接索引。硬盘总共只有1024块，一个文件263块足够大了。再大也不行，就是这么任性，你用不用都行。好了，现在我们可以保存非常大的文件了，通过文件名和文件大小来准确读取！5但是我们要不断改进，我们想想这个文件系统有什么问题。比如inode数量不够用，我们怎么知道？我们是否需要查看inode位图，如果找不到，我们就知道它不够用了？同样，当块数不够时也是如此。如果有一个全局的地方记录这一切就好了，方便随时调整。比如freeinode的个数，block的个数，freeblock的个数，那我们就再占用一个block来存放这些数据！因为他们看起来好像是在用上帝的视角来描述这个文件系统，所以我们把它放在第一个块上，称之为超级块。目前的布局如下。我们不断追求卓越。现在，blockbitmap、inodebitmap、inodetable都占据了block1、block2、block3三个位置，如果inode数量多到inodetable或者inodebitmap需要占用多个block怎么办？或者，块数增加（硬盘本身变大，或者每个块变小），块位图需要占用更多的块。阻塞，我该怎么办？程序死了，如果你不告诉它哪个块是什么意思，它不会自己猜。很简单，就像超级区块中记录的信息一样，这些信息也是选择一个区块来记录的，不用怕。然后我们选择紧跟在超级块之后的1号块来记录这些信息，并称之为块描述符。当然，这些块号只是记录了起始块号，块位图、inode位图、inode表可以各自占据多个块。好吧，你完成了！6现在，让我们尝试存放另一批文件。向日葵宝典.txt数学期末复习资料.mp4女婿1.mp4女婿2.mp4女婿3.mp4女婿4.mp4低并发编程的秘诀。嗯？如果平摊开来，能不能有等级关系？比如向日葵宝典.txt数学期末复习资料.mp4佐女婿1.mp4女婿2.mp4女婿3.mp4女婿4.mp4低并发编程秘籍.pdf我们称葵花宝典.txt为普通文件，女婿为目录文件。如果要访问女婿1.mp4，完整的文件名应该写成女婿/女婿1.mp4。这个怎么做？那么我们又得把inode结构取出来了。这时候就需要一个属性来区分文件是普通文件还是目录文件。缺的补上，我们已经很熟悉了，多了一个4字节来表示文件类型。如果是普通文件，这个inode指向的数据块还是和之前一样，是文件本身的完整内容。但是如果是目录文件，这个inode指向的数据块就需要重新规划。这个数据块应该是什么样的？它可以是指向彼此相邻的不同inode的结构，例如这个。这样，先通过女婿的目录文件找到所在的数据块。然后根据这个数据块中有inode信息的结构，找到这个目录下的所有文件。完美的！7但是这样的话，大家想一想，如果要查看女婿目录下的所有文件（比如ll命令），并且显示文件名和文件类型，应该怎么办呢？做？你需要先把每个结构体指向的inode从inode表中取出，然后再取出文件名和文件类型，很浪费时间。而让用户看到一个目录下的所有文件是一个极其常见的操作。因此，最好将文件名、文件类型等常用信息放在数据块中的结构体中。同时，inode结构中的文件名似乎也没什么用。把这种变长的东西放在这个定长的结构里很烦人，早就想去掉了。并且可以为其他信息节省空间，比如文件所在块的数组，可以多几个。太好了，删除它！OK，大功告成，现在我们可以将文件分类到不同的目录中，在目录下创建目录，无限套娃！8现在的文件系统已经比较完善了，但是还是有点不适应。当我们访问一个目录时，我们可以很舒服的看到该目录下的文件，然后根据名称访问该目录下的文件或目录。整个过程都是套路。但是，最顶层目录，即根目录下的所有文件，仍然需要遍历所有的inode来获取。可以和上面的套路统一吗？答案很简单。我们规定inode表中的第0个inode，表示根目录，所有的访问都从这个根目录开始！好吧，这次没有了！最后让我们欣赏一下我们的文件系统架构。你不觉得这没什么特别的吗？不过这个狗屁，它叫文件系统后记，和linux上的经典文件系统ext2基本一样。下面是我画的ext2文件系统的结构图（字段部分只画了核心字段）。我猜你看不清楚。先说一下主要异同点：1.超级块前面是引导块，是PC联盟规定的硬盘1KB独占空间，任何文件系统都不能使用。2.ext2文件系统首先将整个硬盘分成了很多块组，但是如果只有一个块组，那和我们文件系统的整体结构是完全一样的，分别是超级块，块描述符，块位图,inodebitGraphs,inodetables,datablocks。3、ext2文件系统的inode表使用15块来定位文件，其中第13块为一级间接索引，14为二级间接索引，15为三级间接索引。4、ext2文件系统文件类型较多，常见的有块设备文件、字符设备文件、管道文件、socket文件等。5、ext2文件的超级块、块描述符、inode表system记录了更多的信息，但是核心和我们的文件系统是一样的，在后续的ext3、ext4中不断增加这些字段，以保持向前兼容。6、ext2文件系统的2号inode是根目录，而我们的系统是用0号inode作为根目录。如果您想了解ext2文件系统的全部细节，可以通过三种方式。1.看源码，linux1.0以后的源码都有ext2文件系统的实现，源码最准确。2.看官方文档，这里有pdf链接。https://www.nongnu.org/ext2-doc/ext2.pdf3。阅读优质博客，这里推荐一篇。http://docs.linuxtone.org/ebooks/C&CPP/c/ch29s02.html4。使用linux的mke2fs命令生成ext2文件系统的磁盘镜像，然后逐字节分析其格式，可以在公众号低并发编程回复ext2得到我的镜像分析文件。如果不难看源码和官方文档，当然我主要推荐这两个，因为毕竟是第一手资料。但是一般人可能做不到，有时候也没有必要，所以一些好的博客也可以看看。对于思路的引入，我觉得我的文章算是非常优质的一篇了。它会从设计者的角度带你理解文件系统为什么要这样设计。那些介绍细节的，连文件系统的格式和字段都写错的，千万别看，所以我在这里凭良心推荐一篇文章，也就是上面的第三种方法，大家可以放心大胆的，一个字一个字地吃。最后，也可以使用方法4自行导出文件系统镜像进行分析。本文转载自微信公众号《低并发编程》，可通过以下二维码关注。转载本文请联系低并发编程公众号。本网站已获得低并发编程许可。
