我們都知道如果要從硬盤里面取數(shù)據(jù)，需要告訴控制器從哪里取，取多長(zhǎng)等關(guān)鍵信息，如果這個(gè)步驟由應(yīng)用來(lái)做，則實(shí)在太磨人了。

所以操作系統(tǒng)提供了一個(gè)中間層，對(duì)我們來(lái)說(shuō)，只需要記住文件名和路徑，其他的與磁盤塊打交道的事情就交給這個(gè)中間層來(lái)做。這個(gè)中間層即為文件系統(tǒng)

怎么記錄文件占有的磁盤塊

最容易想到的自然是連續(xù)存放。這種方法在隨機(jī)訪問(wèn)的時(shí)候效率最好，只需要知道文件起始位置以及長(zhǎng)度，就可以像數(shù)組一樣訪問(wèn)。

缺點(diǎn)也很明顯，如果一個(gè)文件刪除了，就會(huì)留下很多空白的位置，后面的文件再過(guò)來(lái)填充的時(shí)候，如果填不滿，則會(huì)留下大量的碎片。

所以我們希望一個(gè)文件可以切分成若干小塊，使用鏈表串接起來(lái)。

這樣資源利用率當(dāng)然高了，不過(guò)我們知道鏈表它的訪問(wèn)效率并不高，也就是說(shuō) 每次都得從第一塊開始，沿著鏈表往后找，非常消耗時(shí)間。

我們可以想想在圖書館怎么找書的，是不是有類似一張圖書——位置的對(duì)應(yīng)表，我們按圖索驥即可。于是引入了索引式，使用專門的一個(gè)磁盤塊來(lái)存放文件屬性&文件所占的磁盤塊。這個(gè)塊叫inode。

怎么記錄目錄占有的磁盤塊

既然每個(gè)文件都有一個(gè)inode來(lái)描述，每個(gè)目錄當(dāng)然也需要一個(gè)inode，其中存放了目錄的屬性以及這個(gè)目錄內(nèi)容的磁盤塊號(hào)。

比如要讀取/tmp/test.log，查找次序是這樣的：

根目錄inode->根目錄磁盤塊->

tmp目錄inode->tmp目錄磁盤塊->

test.log的 inode->讀取磁盤塊

流程相當(dāng)復(fù)雜，特別在刪除的時(shí)候，很容易就糟了。

比如想刪除/tmp/test.log需要

• 目錄中刪除文件
• 釋放inode到空閑的節(jié)點(diǎn)池
• 將磁盤塊釋放到空閑的磁盤池

如果某一步出錯(cuò)，就可能出問(wèn)題。為了解決這種問(wèn)題，引入了日志。也就是說(shuō)在操作之間把規(guī)劃列出來(lái)，形成日志，然后按照列出來(lái)的規(guī)劃進(jìn)行操作，只有所有的步驟走完了才能擦除日志。

如果在某一步崩潰了，系統(tǒng)重啟的時(shí)候會(huì)再檢查日志項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)哪些沒(méi)做，則重新來(lái)一遍即可。

如何管理空閑塊

我們已經(jīng)解決了怎么存放文件和目錄的問(wèn)題。但是我們還需要知道哪些地方?jīng)]有使用，也就是空閑的塊在那里。也就是說(shuō)把空閑塊管理起來(lái)，統(tǒng)一進(jìn)行空間分配。

我們同樣可以把空閑塊組成一個(gè)鏈表，然后分配的時(shí)候就遍歷一下鏈表即可。但是存在一個(gè)問(wèn)題，如果磁盤塊號(hào)是32位，則每個(gè)塊都得花32位的空間，如果空閑塊非常多，則浪費(fèi)極大。

既然我們只是要知道某個(gè)地方是否被占用，而某個(gè)地方只存在占用和未占用兩種可能，不妨使用一張位圖，對(duì)于每個(gè)磁盤塊，如果使用了，則標(biāo)記為1，沒(méi)用就標(biāo)記為0。這樣，每個(gè)磁盤塊只是使用了一位來(lái)標(biāo)記，非常節(jié)省空間。

文件系統(tǒng)

我們以Linux ext2文件系統(tǒng)為例來(lái)看一下。

硬盤主要由MBR與分區(qū)構(gòu)成。

其中MBR中有引導(dǎo)代碼與磁盤分區(qū)表

• 引導(dǎo)代碼
• 分區(qū)表：記錄每個(gè)分區(qū)的起始位置，已經(jīng)哪個(gè)磁盤分區(qū)是主分區(qū)（活動(dòng)分區(qū)）。對(duì)于主分區(qū)，系統(tǒng)會(huì)找到它，然后裝載這個(gè)分區(qū)中的引導(dǎo)塊

引導(dǎo)塊里面有什么？每個(gè)分區(qū)都會(huì)一個(gè)引導(dǎo)塊，如果本分區(qū)里面存放有操作系統(tǒng)，則會(huì)通過(guò)引導(dǎo)塊來(lái)進(jìn)行裝載。

磁盤分區(qū)表只有64字節(jié)，而每個(gè)分區(qū)項(xiàng)占用16字節(jié)，則只能容納4個(gè)分區(qū)。如果我們想有多于4個(gè)分區(qū)，則可以把其中一個(gè)設(shè)為擴(kuò)展分區(qū)，然后繼續(xù)劃分邏輯分區(qū)即可。

每個(gè)分區(qū)由引導(dǎo)塊和塊組構(gòu)成。

每個(gè)塊組中有：

• 磁盤塊位圖
• inode位圖
• inode表：存放文件和目錄的inode
• 數(shù)據(jù)塊

打個(gè)比方

打個(gè)不太恰當(dāng)?shù)谋确剑鳛槭瘴病?/p>

可以把硬盤看做一個(gè)大倉(cāng)庫(kù)，而磁盤控制器就是理貨員，沒(méi)有文件系統(tǒng)之前，外面的人（應(yīng)用）取貨和送貨都需要直接于理貨員打交道，告訴他應(yīng)該放那里，或者從那里取，非常的麻煩。

所以我們又請(qǐng)了一個(gè)倉(cāng)管員（文件系統(tǒng)），由他來(lái)打理整個(gè)倉(cāng)庫(kù)，他需要對(duì)倉(cāng)庫(kù)里面放了什么東西，有多少空閑的地方了如指掌，所以外面的人只需要告訴倉(cāng)管員要取什么文件，以及文件存放的路徑即可。

那么倉(cāng)管員是如何管理倉(cāng)庫(kù)的呢？

首先為了簡(jiǎn)化管理，他把若干房間（磁盤塊）合在一起管理，形成簇（塊組）。

然后在簇里面分一些房間專門來(lái)存放每個(gè)文件存放的具體位置，這種專門用來(lái)表示“文件——磁盤塊”的映射關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就叫inode。所以說(shuō)如果要取文件的話，則可以先查看目錄的inode，在里面可以找到下一級(jí)目錄的inode號(hào)，然后可以去下一級(jí)目錄的inode里面找，一級(jí)一級(jí)的下去，最后可以找到文件inode，即可知道文件存在哪些具體的磁盤塊呢。

那么怎么存放數(shù)據(jù)呢？

倉(cāng)管員把每個(gè)房間用一個(gè)格子表示，如果里面放了東西，則格子標(biāo)1，如果沒(méi)放，則標(biāo)0 。這么通過(guò)這幅位圖，就可以輕松知道那些房間是空余的了。

參考