【Linux】文件系统

文件系统主要来介绍，如何通过对磁盘文件进行分门别类地存储，来支持更好的存取。

磁盘结构

磁盘不同于内存，属于永久性存储介质。

盘面上存储的都是二进制数据。
其中每个二进制数据是由一块磁铁来标定的。磁盘上聚集有众多这样的小磁铁。
而所谓向磁盘写入数据，本质就是用磁头来改变磁盘上小磁铁的正负性。

磁盘的存储结构

扇区作为磁盘存储数据的基本单位，一般大小是512byte。
虽然磁盘的基本单位是扇区（512byte），但是操作系统（文件系统）和磁盘进行IO的基本单位是4KB（8*512byte）。
原因是，512byte太小了，可能导致多次IO，进而造成效率的降低；而且如果操作系统使用和磁盘一样的大小，当磁盘基本大小发生改变，操作系统的源代码也需要随之改变，所以要进行硬件与软件（操作系统）的解耦。
4KB一般叫做block（块）大小，磁盘也被称为块设备。

在物理上，通常是通过CHS寻址的方式将数据写入到磁盘指定的扇区里。
CHS寻址：

1. 确定在哪一个盘面上（对应的就是哪一个磁头） - Head
2. 确定在哪一个磁道（柱面）上 - Cylinder
3. 确定在哪一个扇区上 - Sector

有了CHS寻址，就能找到磁盘上的任意一个扇区了。

磁盘的抽象（虚拟，逻辑）结构

对磁盘结构的抽象，主要是将磁盘的圆形结构抽象成线性结构。
可以借助磁带由卷被拉成条来理解：

磁盘被展开成线性结构后，其数据可以看做存放在一个大数组中，对于磁盘上的每一个扇区，都可以通过数组下标的方式找到并访问。

所以通过磁盘结构的抽象，
将数据存储到磁盘转换为数据存储到对应数组；
将找到磁盘特定扇区的位置转换为找到数组中对应下标的位置；
将对磁盘的管理转换为对数组的管理。
但是这个数组非常大，直接管理起来也会非常困难，所以可以通过分区划组的方式缩小管理区间的单位，来实现整个数组的管理。

所以，对磁盘的管理通过不断划分，最终转换为对块组的管理。只要能管理好一个块组，其它块组也能管理好，从而管理好整个分区，以此类推，最终管理好整个数组。
块组信息分析：

1. Super Block：Super Block的信息并不属于块组。它存放的是整个文件系统的属性信息，可以认为代表的就是文件系统本身。至于在块组里面加上Super Block，相当于是在给文件系统的总体宏观信息做备份，便于文件系统出问题时进行恢复。
2. Data blocks：多个block（4KB）的集合（保存的是对应文件的内容）
3. inode Table：inode是一个大小为128byte的空间，保存的是对应文件的属性信息。所以，inode Table保存的是该块组内，所有文件的inode集合。每一个inode块，都要有一个inode编号。一般而言，一个文件，对应一个inode块，对应一个inode编号。
4. BlockBItmap：存放的是比特位，用于标注Data blocks中，哪些block被使用，哪些没有被使用。
5. inodeBitmap：存放的是比特位，用于标注inode Table中，哪些inode被使用，哪些没有被使用。
6. Group Descriptor Table（GDT）：块组描述符。用于描述整个块组的信息，例如：这个块组有多大，有多少个inode，已经使用了多少个inode，有多少个block，已经使用了多少个block…

文件 = 内容 + 属性，从块组的分析看出，Linux在磁盘上存储文件的时候，是将内容和属性分开存储的，也就是说，Linux是将文件内容和文件属性分开管理的。
有了上述对块组的管理模式，任意一个文件就都能做到可追溯，可管理。
而对于找到一个文件，只要找到文件对应的inode编号，就能找到文件的inode属性集合，可是文件的内容如何找到呢？文件的内容存在Data blocks中，且不一定只存在一个block（4KB)中。
其实inode结构中对于文件在Data blocks中的存储位置用了一个blocks数组进行标定。通过这个数组可以找到文件存储在Data blocks中的所有内容。

struct inode
{
    // 文件的大小
    // 文件的inode编号
    
    //其它属性
    int blocks[N];
}
1
2
3
4
5
6
7
8

尽管如此，如果存储的文件特别大，inode中定义的blocks数组空间显然会不够，那这要如何存储呢？
要知道，Data blocks中block不是都只能用来存文件数据，它也可以用来存其它block的块号。用这样的存储方式，会展现出多叉树的存储结构，所以大量的叶子结点就存储了文件的所有信息。
找到一个文件，只要找到文件的inode编号就可以了，那inode编号又如何得到呢？
inode编号的获取是依托于目录结构的。
目录也是文件，有自己的inode，在Data blocks中存储的是[文件名 : inode编号]的映射关系。也就是说，知道了文件所在目录/路径，就能知道文件的inode了。