本文来自微信公众号：低并发编程 （ID：dibingfa），原文标题：《图解 | 你管这破玩意叫文件系统？》，作者：闪客
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
你准备把这些文件存储在硬盘上，并在需要的时候读取出来。
要设计怎样的软件，才能更方便地在硬盘中读写这些文件呢？
首先我不想和复杂的扇区，设备驱动等细节打交道，因此我先实现了一个简单的功能，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。
硬盘太大不好分析，我们就假设你的硬盘只有 1MB，那么这块硬盘则有 1024 个块。
OK，我们开始存文件啦！
准备一个文件
随便选个块放进去，3 号块吧！
成功！首战告捷！
再存一个文件！
诶？发现问题了，万一这个文件也存到了 3 号块，不是把原来的文件覆盖了么？不行，得有一个地方记录，现在可使用的块有哪些，像这样。
块 0：未使用
块 1：未使用
块 2：未使用
块 3：已使用
块 4：未使用
...
块 1023：未使用
那我们就用 0 号块，来记录所有块的使用情况吧！怎么记录呢？
位图！
那我们给块 0 起个名字，叫块位图，之后这个块 0 就专门用来记录所有块的使用情况，不再用来存具体文件了。
当我们再存入一个新文件时，只需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使用的块，将文件存入。同时，别忘了把块位图中的相应位置 1。
完美！
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？根据块号么？这也太蠢了，就像你去书店找书，店员让你提供书的编号，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。
那必然就要有一个地方，记录文件名与块号的对应关系，像这样。
葵花宝典.txt：3 号块
数学期末复习资料.mp4：5 号块
低并发编程的秘密.pdf：10 号块
...
别急，既然都要选一个地方记录文件名称了，不妨多记录一点我们关心的信息吧，比如文件大小、文件创建时间、文件权限等。
这些东西自然也要保存在硬盘上，我们选择用一个固定大小的空间，来表示这些信息，多大空间呢？128 字节吧。
为啥是 128 字节呢？我乐意。
我们将这 128 字节的结构体，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存放这个文件本身，还要占用一个 inode 来存放文件的这些元信息，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。
如果你觉得 inode 数不够，也可以用两个或者多个块来存放 inode 信息，但这样用于存放数据的块就少了，这就看你自己的平衡了。
同样，和块位图管理块的使用情况一样，我们也需要一个 inode 位图，来管理 inode 的使用情况。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，我们的文件系统结构，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使用与否。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 位是管理他们的使用与否。
现在，我们的文件很小，一个块就能容下。
但如果需要两个块、三个块、四个块呢？
很简单，我们只需要采用连续存储法，而 inode 则只记录文件的第一个块，以及后面还需要多少块，即可。
这种办法的缺点就是：容易留下大大小小的空洞，新的文件到来以后，难以找到合适的空白块，空间会被浪费。
看来这种方式不行，那怎么办呢？
既然在 inode 中记录了文件所在的块号，为什么不扩展一下，多记录几块呢？
原来在 inode 中只记录了一个块号，现在扩展一下，记录 8 个块号！而且这些块不需要连续。
嗯，这是个可行的办法！
但是这也仅仅能表示 8 个块，能记录的最大文件是 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？
很简单，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）。
我们的文件系统，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。再大了不允许，就这么任性，爱用不用。
好了，现在我们已经可以保存很大的文件了，并且可以通过文件名和文件大小，将它们准确读取出来啦！
但我们得精益求精，我们再想想看这个文件系统有什么毛病。
比如，inode 数量不够时，我们是怎么得知的呢？是不是需要在 inode 位图中找，找不到了才知道不够用了？
同样，对于块数量不够时，也是如此。
要是有个全局的地方，来记录这一切，就好了，也方便随时调整，比如这样
inode 数量
空闲 inode 数量
块数量
空闲块数量
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述这个文件系统的，所以我们把它放在最开始的块上，并把它叫做超级块，现在的布局如下。
我们继续精益求精。
现在，块位图、inode 位图、inode 表，都是是固定地占据这块 1、块 2、块 3 这三个位置。
假如之后 inode 的数量很多，使得 inode 表或者 inode 位图需要占据多个块，怎么办？
或者，块的数量增多（硬盘本身大了，或者每个块变小了），块位图需要占据多个块，怎么办？
程序是死的，你不告诉它哪个块表示什么，它可不会自己猜。
很简单，与超级块记录信息一样，这些信息也选择一个块来记录，就不怕了。那我们就选择紧跟在超级块后面的 1 号块来记录这些信息吧，并把它称之为块描述符。
当然，这些所在块号只是记录起始块号，块位图、inode 位图、inode 表分别都可以占用多个块。
好了，大功告成！
现在，我们再尝试存入一批文件。
葵花宝典.txt
数学期末复习资料.mp4
赘婿 1.mp4
赘婿 2.mp4
赘婿 3.mp4
赘婿 4.mp4
低并发编程的秘密.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
数学期末复习资料.mp4
赘婿
赘婿 1.mp4
赘婿 2.mp4
赘婿 3.mp4
赘婿 4.mp4
低并发编程的秘密.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，如果要访问赘婿 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 结构拿出来说事了。
此时需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，我们已经很熟悉了，专门加一个 4 字节，来表示文件类型。
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，就需要重新规划了。
这个数据块里应该是什么样子呢？可以是一个一个指向不同 inode 的紧挨着的结构体，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。再根据这个数据块里的一个个带有 inode 信息的结构体，找到这个目录下的所有文件。
完美！
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示出来，怎么办呢？
就需要把一个个结构体指向的 inode 从 inode 表中取出，再把文件名和文件类型取出，这很是浪费时间。
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，放在数据块中的结构体里吧。
同时，inode 结构中的文件名，好像就没啥用了，这种变长的东西放在这种定长的结构中本身就很讨厌，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，还可以在目录下创建目录，无限套娃！
现在的文件系统，已经比较完善了，只是还有一点不太爽。
我们访问到一个目录下，可以很舒服地看到目录里的文件，然后再根据名称访问这个目录下的文件或者目录，整个过程都是一个套路。
但是，最上层的目录下的所有文件，即根目录，现在仍然需要通过遍历所有的 inode 来获得，能不能和上面的套路统一呢？
答案非常简单，我们规定，inode 表中的 0 号 inode，就表示根目录，一切的访问，就从这个根目录开始！
好了，这回没有然后了！
我们最后来欣赏下我们的文件系统架构。
你是不是觉得这没啥了不起的。
但这个破玩意，它就叫文件系统
这个文件系统，和 linux 上的经典文件系统 ext2 基本相同。
下面是我画的 ext2 文件系统的结构（字段部分只画了核心字段）
估计你是看不清了，我说下主要异同点：
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，任何文件系统都不能用它。
2. ext2 文件系统首先将整个硬盘分为很多块组，但如果只有一个块组的话，和我们的文件系统整体结构就完全一样了，分别是超级块、块描述符、块位图、inode 位图、inode 表、数据块。
3. ext2 文件系统的 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 文件系统的文件类型分得更多，还有常见的如块设备文件、字符设备文件、管道文件、socket 文件等。
5. ext2 文件系统的超级块、块描述符、inode 表中记录的信息更多，但核心的和我们的文件系统一样，而且这些字段在后续的 ext3 和 ext4 中不断增加，保持向前兼容。
6. ext2 文件系统的 2 号 inode 为根目录，而我们的系统是 0 号 inode 为根目录，这个很随意，你设计一个文件系统定一个 187 号 inode 为根目录也没人拦着你。
如果你想了解 ext2 文件系统的全部细节，有三种方式。
1. 看源码，linux1.0 后的源码都有 ext2 文件系统的实现，源码是最准确的。
2. 看官方文档，这里有个 pdf 连接。
https://www.nongnu.org/ext2-doc/ext2.pdf
3. 看优质博客，这里我推荐一个。
http://docs.linuxtone.org/ebooks/C&CPP/c/ch29s02.html
4. 用 linux 的 mke2fs 命令生成一个 ext2 文件系统的磁盘镜像，然后一个字节一个字节分析其格式，可以在公众号 低并发编程 回复 ext2 获得我的镜像分析文件。
如果看源码和官方文档毫不吃力，我当然主推这两个，因为毕竟是一手资料。
但大多数人可能无法做到，有时也没大必要，因此也可以看一些优质的博客。
介绍思想的，我觉得我这一篇就算是很优质的一篇了，它会带你从设计者角度了解为什么这样来设计文件系统。
介绍细节的，那些连文件系统的格式和字段都写不对的，就别看了，所以我这里良心推荐一篇，就是上面的方式三，可以放心大胆，逐字逐句地食用。
本文来自微信公众号：低并发编程 （ID：dibingfa），作者：闪客
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