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图解 Linux 文件系统

之前我写过有关 Linux 文件系统源码分析的文章,但从源码角度分析文件系统略显枯燥(对新手不友好),所以这次主要通过图文的方式来讲解 Linux 文件系统的原理,而不用陷入源代码的深渊之中。

一、硬盘简介

在介绍文件系统前,我们先来了解一下 硬盘

众所周知,内存在断电后数据就会丢失,所以现代计算机都通过 硬盘 来进行数据存储。也就是说,硬盘中的数据在断电后依然能够保存下来。

现在比较流行的硬盘分为:机械硬盘(HDD)固态硬盘(SSD)。由于本文重点介绍的对象是 文件系统,所以对于硬盘的原理就不进行过多的介绍。下面是 机械硬盘 和 固态硬盘 的对照图:

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我们可以把硬盘想象成一个巨大的数组,而数组的每个元素代表一个数据块,如下图:

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在 Linux 内核中,每个数据块定义为 4KB 的大小,所以一个 128GB 的硬盘可以分为 33554432 个数据块,内核就是以数据块的编号来对硬盘进行读写操作的。

二、什么是文件系统

前面说过,内核是以数据块的形式来对硬盘进行读写的,但是这对人类来说是非常不直观的,因为我们不可能记住每一个数据块保存了什么数据。

为了让用户在使用上更方便和直观,Linux 内核抽象出两个概念来管理硬盘中的数据:文件(File)目录(Directory)

  • 文件:用于保存数据。

  • 目录:用于保存文件列表,当然目录也可以保存目录。

由于数据是保存在硬盘数据块中,所以文件只需要记录哪些数据块属于当前文件即可。如下图所示:

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从上图可以看出,目录中既可以保存文件,也可以保存目录。而文件中保存的是属于当前文件的数据块编号,所以当读写文件时,只需要找到文件对应的数据块进行读写即可。

三、MINIX 文件系统实现

现在,我们以 MINIX 文件系统来详细介绍文件系统的设计原理。由于 MINIX 文件系统非常简单,所以适合用于教学使用。

1. MINIX 文件与目录

在 MINIX 文件系统中,以 minix2_inode 对象来描述一个文件。我们来看看 minix2_inode 的定义:

 struct minix2_inode {
     __u16 i_mode;     // 模式
     __u16 i_nlinks;   // 链接数
     __u16 i_uid;      // 所属用户UID
     __u16 i_gid;      // 所属组ID
     __u32 i_size;     // 文件大小
     __u32 i_atime;    // 访问时间
     __u32 i_mtime;    // 修改时间
     __u32 i_ctime;    // 创建时间
     __u32 i_zone[10]; // 文件数对应的数据块编号
 };
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我们需要特别关注 minix2_inode 对象的 i_zone 字段,它就是用来记录属于当前文件的数据块编号。从定义来看,i_zone 是一个用于 10 个元素的整型数组,那么是否就说明 MINIX 的文件只能保存 40 KB 的数据呢?

答案是否定的,因为 MINIX 文件系统将 i_zone 数组分为 4 个部分:前 7 个元素直接指向保存数据的数据块编号,也就是数据会直接存储在这些数据块上,而第 8 个元素是一级间接指向,第 9 个元素是二级间接指向,第 10 个元素是三级间接指向。我们通过下图来说明这个关系:

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通过这种多级指向的方式,一个 MINIX 文件就可以保存超过 40KB 的数据。

有描述文件的对象,那么也应该有描述目录的对象吧?在 MINIX 文件系统中,目录也是使用 minix2_inode 对象来描述的。那么怎么区分文件和目录呢?

minix2_inode 对象中有个 名为i_mode 的字段,它保存着 minix2_inode 对应的类型,普通文件使用 S_IFREG 标志来表示,而目录使用 S_IFDIR 来表示。所以从本质来看,目录也是一种特殊的文件。

普通文件的数据块保存的是文件的数据,那么目录的数据块保存的是什么?答案就是文件列表,而文件列表的每个表项使用 minix_dir_entry 对象表示,定义如下:

 struct minix_dir_entry {
     __u16 inode;
     char name[0];
 };
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  • inode:当前文件对应的 minix2_inode 对象所处于 inode 数组的索引,我们暂时可以忽略此字段的作用,下面将会介绍。

  • name:用于记录当前文件的文件名,由于文件名的长度是不固定的,所以这里使用了柔性数组(大小可变的数据)来表示。

我们通过下图来展示文件与目录所指向的数据内容的区别:

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上图展示了文件与目录两个明显的区别:

  • 文件的 i_mode 字段设置为 S_IFREG,而目录的 i_mode 字段设置为 S_IFDIR

  • 文件的 i_zone 字段指向的数据块保存的是文件的数据,而目录的 i_zone 字段指向的数据块保存的是文件列表。

2. MINIX 文件系统格式化

现在,我们基本了解 MINIX 文件系统对文件与目录的存储方式了,接下来我们将会介绍 MINIX 文件系统怎么管理硬盘中的文件和目录,也就是我们常说的 格式化

前面说过,我们可以把硬盘当成一个由数据块组成的巨大数组,那么 MINIX 文件系统会把硬盘划分为以下几个部分,如下图所示:

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下面我们对这几个部分进行解说:

  • 引导块:占用一个数据块,用于操作系统启动时使用,我们可以忽略。

  • 超级块:占用一个数据块,用于保存文件系统的信息,MINIX 文件系统使用 minix_super_block 对象来保存文件系统的信息,如 inode位图 占用几个数据块、数据块位图 占用几个数据块等。

  • inode位图:占用若干个数据块,用于描述 inode表 中哪些成员已经被使用,每个位表示一个 inode 的使用情况。

  • 数据块位图:占用若干个数据块,用于描述 数据块列表 中哪些成员已经被使用,每个位表示一个数据块的使用情况。

  • inode表:占用若干个数据块,由多个 minix2_inode 对象组成,每个 minix2_inode 对象表示一个文件或目录。

  • 数据块列表:占用若干个数据块,用于保存文件的数据。

上图就是 MINIX 文件系统在硬盘中的格式化结构,我们先来看看 超级块 记录的信息有哪些,超级块是由 minix_super_block 对象表示,其定义如下:

 struct minix_super_block {
     __u16 s_ninodes;       // inode表的元素个数
     __u16 s_nzones;        // 数据块列表的元素个数(v1版本)
     __u16 s_imap_blocks;   // inode位图占用的数据块数量
     __u16 s_zmap_blocks;   // 数据块位图占用的数据块数量
     __u16 s_firstdatazone; // 第一个数据块起始号
     __u16 s_log_zone_size;
     __u32 s_max_size;      // 文件最大尺寸
     __u16 s_magic;         // 魔数(用于识别MINIX文件系统)
     __u16 s_state;         // 文件系统状态
     __u32 s_zones;         // 数据块列表的元素个数(v2版本)
 };
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minix_super_block 每个字段的作用都在注释中进行了说明,通过 minix_super_block 对象我们可以了解到 MINIX 文件系统的信息。

3. 读取文件过程

了解了 MINIX 文件系统的结构组织,现在我们介绍一下 MINIX 文件系统读取文件的过程。

例如,我们要读取 /home/file.txt 文件的内容,MINIX 文件系统是怎么准确地查找到文件并且读取其中的内容呢?下面我们进行分步来描述这个过程。

第一步:读取根目录

要读取 /home/file.txt 文件,首先要从根目录 / 开始,MINIX 文件系统约定根目录使用 inode表 的第一个元素进行存储。如下图:

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如上图所示,根目录使用 inode表 的第一个元素进行存储,然后从根目录的文件列表中查找目录 home。从上图可以看出,home 目录的 inode索引 为 5,表示 home 目录存储在 inode表 的第 5 个元素中。

第二步:读取 home 目录

知道 home 目录的 inode索引 为 5 后,再读取 inode表 的第 5 个元素,然后再从 home 目录的文件列表中查找文件 file.txt,过程如下图:

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如上图所示,从 home 目录的文件列表中找到 file.txt 文件的 inode索引 为 9,所以现在可以通过读取 inode表 的第 9 个元素来获得 file.txt 文件对应的 inode 节点。

第三步:读取 file.txt 文件的内容

现在我们已经知道了 file.txt 文件对应的 inode索引,所以从 inode表 中读取第 9 个元素即可获得 file.txt 文件的 inode节点,然后就可以通过 inode节点i_zone 字段所指向的数据块来读取文件的内容,如下图所示:

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如上图所示,通过读取 inode表 的第 9 个元素获得 file.txt 文件的 inode节点 后,可以通过 inode节点i_zone 字段所指向的数据块读取文件的内容。

另外说明一下,inode位图数据块位图 用于创建文件时,快速查找哪些 inode节点数据块 没有被使用的。

四、总结

本文通过 MINIX 这种简单的文件系统来介绍怎么设计一个文件系统,虽然 Linux 系统有多种文件系统,但其基本思想都是怎么有效地管理硬盘的数据。所以,掌握 MINIX 文件系统的设计对理解其他不同的文件系统有非常大的帮助。

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