圖解 Linux 文件系統
本文轉載自微信公眾號「Linux內核那些事」，作者songsong001 。轉載本文請聯系Linux內核那些事公眾號。
之前我寫過有關 Linux 文件系統源碼分析的文章，但從源碼角度分析文件系統略顯枯燥(對新手不友好)，所以這次主要通過圖文的方式來講解 Linux 文件系統的原理，而不用陷入源代碼的深淵之中。
一、硬盤簡介
在介紹文件系統前，我們先來了解一下 硬盤。
眾所周知，內存在斷電后數據就會丟失，所以現代計算機都通過 硬盤 來進行數據存儲。也就是說，硬盤中的數據在斷電后依然能夠保存下來。
現在比較流行的硬盤分為：機械硬盤(HDD) 和 固態硬盤(SSD)。由于本文重點介紹的對象是 文件系統，所以對于硬盤的原理就不進行過多的介紹。下面是 機械硬盤 和 固態硬盤 的對照圖：
我們可以把硬盤想象成一個巨大的數組，而數組的每個元素代表一個數據塊，如下圖：
在 Linux 內核中，每個數據塊定義為 4KB 的大小，所以一個 128GB 的硬盤可以分為 33554432 個數據塊，內核就是以數據塊的編號來對硬盤進行讀寫操作的。
二、什么是文件系統
前面說過，內核是以數據塊的形式來對硬盤進行讀寫的，但是這對人類來說是非常不直觀的，因為我們不可能記住每一個數據塊保存了什么數據。
為了讓用戶在使用上更方便和直觀，Linux 內核抽象出兩個概念來管理硬盤中的數據：文件(File) 和 目錄(Directory)。
文件：用于保存數據。
目錄：用于保存文件列表，當然目錄也可以保存目錄。
由于數據是保存在硬盤數據塊中，所以文件只需要記錄哪些數據塊屬于當前文件即可。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前文件的數據塊編號，所以當讀寫文件時，只需要找到文件對應的數據塊進行讀寫即可。
三、MINIX 文件系統實現
現在，我們以 MINIX 文件系統來詳細介紹文件系統的設計原理。由于 MINIX 文件系統非常簡單，所以適合用于教學使用。
1. MINIX 文件與目錄
在 MINIX 文件系統中，以 minix2_inode 對象來描述一個文件。我們來看看 minix2_inode 的定義：
- struct minix2_inode {
- __u16 i_mode; // 模式
- __u16 i_nlinks; // 鏈接數
- __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; // 訪問時間
- __u32 i_mtime; // 修改時間
- __u32 i_ctime; // 創建時間
- __u32 i_zone[10]; // 文件數對應的數據塊編號
- };
我們需要特別關注 minix2_inode 對象的 i_zone 字段，它就是用來記錄屬于當前文件的數據塊編號。從定義來看，i_zone 是一個用于 10 個元素的整型數組，那么是否就說明 MINIX 的文件只能保存 40 KB 的數據呢?
答案是否定的，因為 MINIX 文件系統將 i_zone 數組分為 4 個部分：前 7 個元素直接指向保存數據的數據塊編號，也就是數據會直接存儲在這些數據塊上，而第 8 個元素是一級間接指向，第 9 個元素是二級間接指向，第 10 個元素是三級間接指向。我們通過下圖來說明這個關系：
通過這種多級指向的方式，一個 MINIX 文件就可以保存超過 40KB 的數據。
有描述文件的對象，那么也應該有描述目錄的對象吧?在 MINIX 文件系統中，目錄也是使用 minix2_inode 對象來描述的。那么怎么區分文件和目錄呢?
在 minix2_inode 對象中有個 名為i_mode 的字段，它保存著 minix2_inode 對應的類型，普通文件使用 S_IFREG 標志來表示，而目錄使用 S_IFDIR 來表示。所以從本質來看，目錄也是一種特殊的文件。
普通文件的數據塊保存的是文件的數據，那么目錄的數據塊保存的是什么?答案就是文件列表，而文件列表的每個表項使用 minix_dir_entry 對象表示，定義如下：
- struct minix_dir_entry {
- __u16 inode;
- char name[0];
- };
inode：當前文件對應的 minix2_inode 對象所處于 inode 數組的索引，我們暫時可以忽略此字段的作用，下面將會介紹。
name：用于記錄當前文件的文件名，由于文件名的長度是不固定的，所以這里使用了柔性數組(大小可變的數據)來表示。
我們通過下圖來展示文件與目錄所指向的數據內容的區別：
上圖展示了文件與目錄兩個明顯的區別：
- 文件的 i_mode 字段設置為 S_IFREG，而目錄的 i_mode 字段設置為 S_IFDIR。
- 文件的 i_zone 字段指向的數據塊保存的是文件的數據，而目錄的 i_zone 字段指向的數據塊保存的是文件列表。
2. MINIX 文件系統格式化
現在，我們基本了解 MINIX 文件系統對文件與目錄的存儲方式了，接下來我們將會介紹 MINIX 文件系統怎么管理硬盤中的文件和目錄，也就是我們常說的 格式化。
前面說過，我們可以把硬盤當成一個由數據塊組成的巨大數組，那么 MINIX 文件系統會把硬盤劃分為以下幾個部分，如下圖所示：
下面我們對這幾個部分進行解說：
- 引導塊：占用一個數據塊，用于操作系統啟動時使用，我們可以忽略。
- 超級塊：占用一個數據塊，用于保存文件系統的信息，MINIX 文件系統使用 minix_super_block 對象來保存文件系統的信息，如 inode位圖 占用幾個數據塊、數據塊位圖 占用幾個數據塊等。
- inode位圖：占用若干個數據塊，用于描述 inode表 中哪些成員已經被使用，每個位表示一個 inode 的使用情況。
- 數據塊位圖：占用若干個數據塊，用于描述 數據塊列表 中哪些成員已經被使用，每個位表示一個數據塊的使用情況。
- inode表：占用若干個數據塊，由多個 minix2_inode 對象組成，每個 minix2_inode 對象表示一個文件或目錄。
- 數據塊列表：占用若干個數據塊，用于保存文件的數據。
上圖就是 MINIX 文件系統在硬盤中的格式化結構，我們先來看看 超級塊 記錄的信息有哪些，超級塊是由 minix_super_block 對象表示，其定義如下：
- struct minix_super_block {
- __u16 s_ninodes; // inode表的元素個數
- __u16 s_nzones; // 數據塊列表的元素個數(v1版本)
- __u16 s_imap_blocks; // inode位圖占用的數據塊數量
- __u16 s_zmap_blocks; // 數據塊位圖占用的數據塊數量
- __u16 s_firstdatazone; // 第一個數據塊起始號
- __u16 s_log_zone_size;
- __u32 s_max_size; // 文件最大尺寸
- __u16 s_magic; // 魔數(用于識別MINIX文件系統)
- __u16 s_state; // 文件系統狀態
- __u32 s_zones; // 數據塊列表的元素個數(v2版本)
- };
minix_super_block 每個字段的作用都在注釋中進行了說明，通過 minix_super_block 對象我們可以了解到 MINIX 文件系統的信息。
3. 讀取文件過程
了解了 MINIX 文件系統的結構組織，現在我們介紹一下 MINIX 文件系統讀取文件的過程。
例如，我們要讀取 /home/file.txt 文件的內容，MINIX 文件系統是怎么準確地查找到文件并且讀取其中的內容呢?下面我們進行分步來描述這個過程。
第一步：讀取根目錄
要讀取 /home/file.txt 文件，首先要從根目錄 / 開始，MINIX 文件系統約定根目錄使用 inode表 的第一個元素進行存儲。如下圖：
如上圖所示，根目錄使用 inode表 的第一個元素進行存儲，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 目錄存儲在 inode表 的第 5 個元素中。
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 個元素，然后再從 home 目錄的文件列表中查找文件 file.txt，過程如下圖：
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，所以現在可以通過讀取 inode表 的第 9 個元素來獲得 file.txt 文件對應的 inode 節點。
第三步：讀取 file.txt 文件的內容
現在我們已經知道了 file.txt 文件對應的 inode索引，所以從 inode表 中讀取第 9 個元素即可獲得 file.txt 文件的 inode節點，然后就可以通過 inode節點 的 i_zone 字段所指向的數據塊來讀取文件的內容，如下圖所示：
如上圖所示，通過讀取 inode表 的第 9 個元素獲得 file.txt 文件的 inode節點 后，可以通過 inode節點 的 i_zone 字段所指向的數據塊讀取文件的內容。
另外說明一下，inode位圖 和 數據塊位圖 用于創建文件時，快速查找哪些 inode節點 和 數據塊 沒有被使用的。
四、總結
本文通過 MINIX 這種簡單的文件系統來介紹怎么設計一個文件系統，雖然 Linux 系統有多種文件系統，但其基本思想都是怎么有效地管理硬盤的數據。所以，掌握 MINIX 文件系統的設計對理解其他不同的文件系統有非常大的幫助。
