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• 你是不是认为这没啥了不起的。但这个破玩意，它就叫文件体系
• 后记

你手里有一块硬盘，大小为 1T

你还有一堆文件

这些文件在硬盘看来，就是一堆二进制数据而已

你预备把这些文件存储在硬盘上，并在须要的时候读取出来。

要设计怎样的软件，能力更便利地在硬盘中读写这些文件呢？

1

首先我不想和庞杂的扇区，装备驱动等细节打交道，因此我先实现了一个简略的功效，将硬盘按逻辑分成一个个的块，并可以以块为单位进行读写。

每个块就定义为两个物理扇区的大小，即 1024 字节，就是 1KB 啦。

硬盘太大不好剖析，我们就假设你的硬盘只有 1MB，那么这块硬盘则有 1024 个块。

OK，我们开端存文件啦！

预备一个文件

随意选个块放进去，3 号块吧！

胜利！首战告捷！

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再存一个文件！

诶？发明问题了，万一这个文件也存到了 3 号块，不是把本来的文件笼罩了么？不行，得有一个处所记载，现在可应用的块有哪些，像这样。

块 0：未应用

块 1：未应用

块 2：未应用

块 3：已应用

块 4：未应用

…

块 1023：未应用

那我们就用 0 号块，来记载所有块的应用情形吧！怎么记载呢？

位图！

那我们给块 0 起个名字，叫块位图，之后这个块 0 就专门用来记载所有块的应用情形，不再用来存具体文件了。

当我们再存入一个新文件时，只须要在块位图中找到第一个为 0 的位，就可以找到第一个还未被应用的块，将文件存入。同时，别忘了把块位图中的相应地位 1。

完善！

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下面，我们尝试读取刚刚的文件。

咦？又遇到问题了，我怎么找到刚刚的文件呢？依据块号么？这也太蠢了，就像你去书店找书，店员让你供给书的编号，而不是书名，显然不合理。

因此我们给每个文件起一个名字，叫文件名，通过它来寻找这个文件。

那必定就要有一个处所，记载文件名与块号的对应关系，像这样。

葵花宝典.txt：3 号块

数学期末温习资料.mp4：5 号块

低并发编程的机密.pdf：10 号块

…

别急，既然都要选一个处所记载文件名称了，不妨多记载一点我们关怀的信息吧，比如文件大小、文件创立时光、文件权限等。

这些东西自然也要保留在硬盘上，我们选择深圳生涯网用一个固定大小的空间，来表现这些信息，多大空间呢？128 字节吧。

为啥是 128 字节呢？我乐意。

我们将这 128 字节的构造体，叫做一个 inode。

之后，我们每存入一个新的文件，不但要占用一个块来寄存这个文件本身，还要占用一个 inode 来寄存文件的这些元信息，并且这个 inode 的所在块号这个字段，就指向这个文件所在的块号。

如果一个 inode 为 128 字节，那么一个块就可以容纳 8 个 inode，我们可以将这些 inode 编上号。

如果你认为 inode 数不够，也可以用两个或者多个块来寄存 inode 信息，但这样用于寄存数据的块就少了，这就看你自己的平衡了。

同样，和块位图管理块的应用情形一样，我们也须要一个 inode 位图，来管理 inode 的应用情形。我们就把 inode 位图，放在 1 号块吧！

同时，我们把 inode 信息，放在 2 号块，一共存 8 条 inode，这样我们的 2 号块就叫做 inode 表。

现在，我们的文件体系构造，变成了下面这个样子。

注意：块位图是管理可用的块，每一位代表一个块的应用与否。inode 位图管理的是一条一条的 inode，并不是 inode 所占用的块，比如上图中有 8 条 inode，则 inode 位图中就有 8 位是管理他们的应用与否。

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现在，我们的文件很小，一个块就能容下。

但如果须要两个块、三个块、四个块呢？

很简略，我们只须要采取持续存储法，而 in深圳生涯网ode 则只记载文件的第一个块，以及后面还须要多少块，即可。

这种方法的缺陷就是：容易留下大大小小的空泛，新的文件到来以后，难以找到适合的空白块，空间会被糟蹋。

看来这种方法不行，那怎么办呢？

既然在 inode 中记载了文件所在的块号，为什么不扩大一下，多记载几块呢？

本来在 inode 中只记载了一个块号，现在扩大一下，记载 8 个块号！而且这些块不须要持续。

嗯，这是个可行的方法！

但是这也仅仅能表现 8 个块，能记载的最大文件是 8K（记住，一个块是 1K）, 现在的文件轻松就超过这个限制了，这怎么办？

很简略，我们可以让其中一个块，作为间接索引。

这样瞬间就有 263 个块（多了 256 -1 个块）可用了，这种索引叫一级间接索引。

如果还嫌不够，就再弄一个块做一级间接索引，或者做二级间接索引（二级间接索引则可以多出 256 * 256 – 1 个块）。

我们的文件体系，暂且先只弄一个一级间接索引。硬盘一共才 1024 个块，一个文件 263 个块够大了。再大了不许可，就这么任性，爱用不用。

好了，现在我们已经可以保留很大的文件了，并且可以通过文件名和文件大小，将它们精确读取出来啦！

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但我们得精益求精，我们再想想看这个文件体系有什么缺点。

比如，inode 数目不够时，我们是怎么得知的呢？是不是须要在 inode 位图中找，找不到了才知道不够用了？

同样，对于块数目不够时，也是如此。

要是有个全局的处所，来记载这一切，就好了，也便利随时调剂，比如这样

inode 数目

空闲 inode 数目

块数目

空闲块数目

那我们就再占用一个块来存储这些数据吧！由于他们看起来像是站在上帝视角来描写这个文件体系的，所以我们把它放在最开端的块上，并把它叫做超级块，现在的布局如下。

我们持续精益求精。

现在，块位图、inode 位图、inode 表，都是是固定地占领这块 1、块 2、块 3 这三个地位。

假如之后 inode 的数目很多，使得 inode 表或者 inode 位图须要占领多个块，怎么办？

或者，块的数目增多（硬盘本身大了，或者每个块变小了），块位图须要占领多个块，怎么办？

程序是逝世的，你不告知它哪个块表现什么，它可不会自己猜。

很简略，与超级块记载信息一样，这些信息也选择一个块来记载，就不怕了。那我们就选择紧跟在超级块后面的 1 号块来记载这些信息吧，并把它称之为块描写符。

当然，这些所在块号只是记载起始块号，块位图、inode 位图、inode 表分离都可以占用多个块。

好了，大功告成！深圳生涯网

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现在，我们再尝试存入一批文件。

• 葵花宝典.txt
• 数学期末温习资料.mp4
• 赘婿1.mp4
• 赘婿2.mp4
• 赘婿3.mp4
• 赘婿4.mp4
• 低并发编程的机密.pdf

诶？这看着好不爽，所有的文件都是平铺开的，能不能拥有层级关系呢？比如这样

• 葵花宝典.txt
• 数学期末温习资料.mp4
• 赘婿
• 赘婿1.mp4
• 赘婿2.mp4
• 赘婿3.mp4
• 赘婿4.mp4
• 低并发编程的机密.pdf

我们将葵花宝典.txt 这种称为普通文件，将赘婿这种称为目录文件，如果要拜访赘婿1.mp4，那全文件名要写成

赘婿/赘婿1.mp4。

如何做到这一点呢？那我们又得把 inode 构造拿出来说事了。

此时须要一个属性来区分这个文件是普通文件，还是目录文件。

缺什么就补什么嘛，我们已经很熟习了，专门加一个 4 字节，来表现文件类型。

如果是普通文件，则这个 inode 所指向的数据块仍然和之前一样，就是文件本身原封不动的内容。

但如果是目录文件，则这个 inode 所指向的数据块，就须要重新计划了。

这个数据块里应当是什么样子呢？可以是一个一个指向不同 inode 的紧挨着的构造体，比如这样。

这样先通过 赘婿 这个目录文件，找到所在的数据块。再依据这个数据块里的一个个带有 inode 信息的构造体，找到这个目录下的所有文件。

完善！

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不过这样的话，你想想看，如果想要查看一下赘婿这个目录下的所有文件（比如 ll 命令），将文件名和文件类型都展现出来，怎么办呢？

就须要把一个个构造体指向的 inode 从 inode 表中取出，再把文件名和文件类型取出，这很是糟蹋时光。

而让用户看到一个目录下的所有文件，又是一个极其常见的操作。

所以，不如把文件名和文件类型这种常见的信息，放在数据块中的构造体里吧。

同时，inode 构造中的文件名，好像就没啥用了，这种变长的东西放在这种定长的构造中本身就很讨厌，早就想给它去掉了。而且还能给其他信息省下空间，比如文件所在块的数组，就能再多几个了。

太好了，去掉它！

OK，大功告成，现在我们就可以给文件分门别类放进不同目录下了，还可以在目录下创立目录，无穷套娃！

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现在的文件体系，已经比拟完美了，只是还有一点不太爽。

我们拜访到一个目录下，可以很舒畅地看到目录里的文件，然后再依据名称拜访这个目录下的文件或者目录，全部进程都是一个套路。

但是，最上层的目录下的所有文件，即根目录，现在仍然须要通过遍历所有的 inode 来获得，能不能和上面的套路统一呢？

答案非常简略，我们规定，inode 表中的 0 号 inode，就表现根目录，一切的拜访，就从这个根目录开端！

好了，这回没有然后了！

我们最后来观赏下我们的文件体系架构。

你是不是认为这没啥了不起的。但这个破玩意，它就叫文件体系

后记

这个文件体系，和 linux 上的经典文件体系 ext2 根本雷同。

下面是我画的 ext2 文件体系的构造（字段部分只画了核心字段）

估量你是看不清了，我说下重要异同点：

1. 超级块前面是启动块，这个是 PC 联盟给硬盘规定的 1KB 专属空间，任何文件体系都不能用它。

2. ext2 文件体系首先将全部硬盘分为很多块组，但如果只有一个块组的话，和我们的文件体系整体构造就完整一样了，分离是超级块、块描写符、块位图、inode 位图、inode 表、数据块。

3. ext2 文件体系的 inode 表中用 15 个块来定位文件，其中第 13 个块为一级间接索引、14 个为二级间接索引、15 个为三级间接索引。

4. ext2 文件体系的文件类型分得更多，还有常见的如块装备文件、字符装备文件、管道文件、socket 文件等。

5. ext2 文件体系的超级块、块描写符、inode 表中记载的信息更多，但核心的和我们的文件体系一样，而且这些字段在后续的 ext3 和 ext4 中不断增长，坚持向前兼容。

6. ext2 文件体系的 2 号 inode 为根目录，而我们的体系是 0 号 inode 为根目录，这个很随便，你设计一个文件体系定一个 187 号 inode 为根目录也没人拦着你。

如果你想懂得 ext2 文件体系的全体细节，有三种方法。

1. 看源码，linux1.0 后的源码都有 ext2 文件体系的实现，源码是最精确的。

2. 看官方文档，这里有个 pdf 衔接。https://www.nongnu.org/ext2-doc/ext2.pdf

3. 看优质博客，这里我推举一个。http://docs.linuxtone.org/ebooks/C