理解Linux文件系统——通过磁盘结构

前言

在上一篇博客中，我们讨论了进程与被打开文件之间的关系，那没被打开的文件呢？

没被打开的文件就需要文件系统来管理了。

需要明确的是文件系统不是指Linux本身，而是Linux操作系统中用于管理和组织文件的一种机制。

一、磁盘

想要搞清楚文件系统，咱们还是有必要了解一下磁盘的基本构造，毕竟文件系统是建立在磁盘之上的，没有磁盘也就谈不上文件操作。

目前在个人电脑上我们很难见到磁盘了，但在企业端，磁盘凭借着高性价比依旧是存储的主流。

1.磁盘的物理结构

①磁盘是由磁头和盘面两部份组成，一片磁盘的上下两面都可以存放数据。

②磁头和盘面是没有接触的（因此磁盘要防止抖动），每一个磁面都配有一个磁头。

③通过电机驱动，磁盘是在不停旋转的，磁头在不停摆动。

例如曾经DVD中的光盘在播放时也是在不停旋转，磁头摆动。不同的是光盘是单面的。

2.磁盘的存储结构

1）磁道：同心的圆环，每一个圆环就是一个磁道。

2）扇区：被扇形切割的圆环，每个圆环弧段就是一个扇区。

扇区是磁盘寻址的基本单位，每个扇区都有着512Byte空间。

通过控制材料密度，实现不同大小的扇区存储同样容量的数据。为什么这样做？每一段扇区存储大小相同，方便后续存储地址的划分和编址。（现已有技术可使不同大小的扇区有不同的存储容量，以实现单片存储最大化）

3）柱面：将一摞磁盘的同心磁道宏观上看作一个柱体，按磁道的的半径不同，一摞磁盘中柱面的个数与磁道个数相等。故柱面的本质就是磁道。

为什么要有柱面这个概念？

现实中磁盘通常是一摞存放的，磁盘通过电机驱动不停旋转，而磁头也是通过电机在来回抖动。一摞磁盘上的磁头都是通过同一个电机驱动，所以每个磁头都是共进退，通过引入柱面来方便实际描述数据在哪里，比如数据在哪个柱面的哪个盘面的哪个扇区。

在磁盘中定位扇区——CHS定位法

那么如何在磁盘中定位任何一个扇区？

柱面号（Cylinder）、磁头号（Head）和扇区号（Sector），上述这种采取硬件的基本定位方式叫做：CHS定位法

3.磁盘的逻辑结构

1）磁盘的线性结构

不知到在看的读者有没有接触过卷尺，如下图：

卷尺在平时存放时里面的钢片是卷起来的，类似螺旋的卷状。使用时拉拽钢片，拉出的钢片却是笔直的线性的。

磁盘也是一样，将磁盘抽象成线性结构，从逻辑上把整个磁盘看作一个数组sector arr [n];其中每一个元素就对应一个扇区。这样说十分抽象，下图较为清晰的展现这一过程。

我们以两片，四面，每面三圈磁道的磁盘为例，假设将该磁盘强行拉扯成线性结构：

通过如上述抽象操作，重点是我们便可以从对磁盘的管理转化成对数组进行管理！

2）定位扇区——线性

将磁盘线性化后，显然只要知道了扇区的下标就可以定位一个扇区，这种下标称为LAB地址。

假如有一块磁盘共有4面，一面10圈磁道，一圈磁道100个扇区。已知每个扇区512Byte。

那么4 *10 *100 *512 == 该磁盘的总容量（ Byte），4 *10 *100 ==线性化后的下标范围

假设这里有个LBA地址123号位置：

那么有123 /（10*100）= 0 ——位于0号磁盘；（用下标除以一面有的逻辑地址）

123 / 100 = 1 —— 位于1号磁道；

123 % 100 = 23 —— 23号扇区

那么综上述步骤，我们可以得出123号地址在该磁盘的第0面，第1号磁道的第23号扇区。

为什么OS要将磁盘抽象成线性结构呢，直接用CHS定位法不行吗

操作系统将磁盘线性化出于两个因素：

①便于管理磁盘，方便编址划分；

②让OS的代码与硬件解耦！

自计算机诞生以来，储存技术和存储材料也是不断更新换代，OS通过对硬件线性的抽象可免于受到来自硬件变化的影响。

倘若未来又出现个什么新型存储容器，操作系统只需略微变更一点代码便可使用新存储容器，无需重新设计一套IO方案。

二、文件系统

既然OS能找到扇区了，那自然可以对扇区进行数据IO了，但整个磁盘小的也有几十G，大的几个T，而一个扇区大小才512Byte，空间太大，数组太大难以管理。

操作系统采用了分而治之的思想，如将100G的磁盘分成几个区，再把每个区又分成几个组，只要把这个基本单元-存储组给管理好再把方法复制粘贴到其他组，那就算完成了对整个磁盘的管理。

在介绍存储组之前，我们认识一个新的“结构体”——inode

什么是inode

1.概念

在Linux文件系统中，inode（index node）是操作系统用于管理文件系统对象的元数据容器。

在Linux一切皆文件的设计思想下，每个文件（包括目录）都对应唯一的 inode，这些存储在磁盘的 inode 表中（即下文的inode table）。当文件系统格式化时，会预先分配固定数量的 inode（可通过 df -i 查看剩余数量）。

2.作用

当用户访问某个文件时，OS会将磁盘中的 inode 加载到内存中，形成 inode 结构体（虚拟文件系统层），用于统一管理不同文件的差异。

3.inode中有什么

inode存储着文件的各种属性信息，如文件大小、文件拥有者 所属组等

// 简化的内核 inode 结构体定义（linux/fs.h）
struct inode {
    umode_t         i_mode;        // 文件类型和权限（如 0755）
    uid_t           i_uid;         // 所有者用户ID
    gid_t           i_gid;         // 所有者组ID
    loff_t          i_size;        // 文件大小（字节）
    struct timespec i_atime;       // 最后访问时间
    struct timespec i_mtime;       // 最后修改时间
    struct timespec i_ctime;       // inode变更时间
    unsigned long   i_ino;         // inode编号（唯一标识）
    struct block_device *i_bdev;   // 块设备指针（针对设备文件）
    // 数据块指针相关（不同文件系统实现不同）：
    union {
        struct ext4_inode_info    ext4_i;  // ext4 文件系统的扩展数据
        struct xfs_inode          xfs_i;   // XFS 文件系统的扩展数据
        // ... 其他文件系统的特定结构
    };
    // 其他重要成员：
    unsigned int    i_nlink;       // 硬链接计数
    dev_t           i_rdev;        // 设备号（字符/块设备）
    struct inode_operations *i_op; // inode操作函数指针（如mkdir/unlink）
    struct super_block *i_sb;      // 所属超级块
};

注意：

inode虽然存储着文件的各种属性，当唯独没有该文件的文件名。

文件内容：文件内容存储在数据块（即下面介绍的date blocks）中，inode 仅通过指针记录数据块位置。

下面依次介绍上面图中的各个组或者区。

1.特殊分区Boot Block

Boot Block 即启动块：

2.存储组

Super Block 超级块对象

inode Table

inode 是文件系统管理的最小元数据单元，inode table 是这些单元的全局存储池。

即inode存储在inode table中。

Data blocks

inode Bitmap

Block Bitmap

Group Descriptor Table

3.文件查找

struct inode { int id; mode_t mode; uid; gid; size; …… int blocks[15]; }

首先我们需要认识inode中两个重要的成员变量：

①编号id

这个id是文件系统内唯一标识一个inode的整数的编号。

每个文件或目录的属性（如权限、时间戳、数据块指针等）存储在对应的inode中，并通过inodeID进行索引。

②int blocks[15]

在blocks数组中记录着该文件的数据对应在Date block中的地址。各个操作系统中blocks数组的大小不同，这里以Linux中的文件操作系统为例。

假设现在操作系统有着某文件inode中的id，若想要找到某文件应该怎么做？

属性

操作系统首先是通过inode Bitmap查看该inode是否存在（是否被使用），若存在则再通过inode Table找到inode并再次核对id是否正确，若上述两项都无误，那该inode中记录的文件属性即目标文件的文件属性。

内容

紧接着在上述属性的步骤后，操作系统通过inode的成员变量int blocks【15】中记录的映射关系前往Date block中寻找。

四、一些问题

1.通过文件名就能打开文件的原因

啊，上面叽里呱啦说了一大堆，可是我们在Linux下使用文件时也不是用的什么id啊inode啊，我们用的是路径+文件名了，系统就打开这个文件了啊。

在Linux中目录也是文件，读者有没有想过目录这种特殊文件他的属性和内容是什么呢？

属性都还好说，无非是目录的权限、大小之类的，可目录的内容呢？

目录的内容，即目录这个文件在磁盘中的Date block中存储的的是：该目录中的文件的文件名，以及该文件对应的inode地址等信息。所以，我们在Linux中打开某文件时，本质是通过该文件所处的目录实现的。

打开一个文件的流程：

通过目录路径解析得目录的id——>

通过此id找到目录的inode——>

通过目录inode中blocks【】数组，访问该目录下的文件的文件名和该文件的inode——>

再通过用户提供的文件名比对该目录下是否有该文件，若有则通过该文件的inode找到并访问该文件内容，若无则报错。

2.目录权限解析

3.如何创建一个新文件

①通过创建文件的路径确定磁盘分区；②在该分区中通过inode Bitmap找到一个未使用的inode； ③将新建文件的属性填进去；④若有内容再在bolcks中找到对应的数据块，再将对应block Bitmap中比特位初始化；⑤上述就绪后，再返回inode信息和文件名给当前目录。

4.如何删除一个文件，被删除的文件后能恢复吗

总结

本文首先花费大量篇幅介绍硬件磁盘，这是理解抽象的文件系统所必要的。之后通过阐述文件系统是如何通过分而治之的思想，管理存储空间庞大的磁盘。最后解释了在Linux中通过文件名+路径就可以打开一个文件的原因，以及目录权限的解析和删除文件的方式。