聊聊操作系统-文件系统

工作也有两年了，在研究很多项目时发现很多问题追根溯源都会到计算机底层的知识，也是越来越发现编程语言只是一层外壳，这个外壳需要去和操作系统协商使用后者管理的的计算机资源，包括存储资源和计算资源。如果计算机底层知识不牢靠，遇到一些问题还真是不好分析，也很容易成为职业上升的瓶颈。现在回想起大学时学习这么课时是比较抽象的，那时没有太多编程经验，知识很难落地，造成了只知其然不知其所以然的情况，所以现在重新梳理一下计算机操作系统的一些底层知识，在这里记录一下。

我们最常使用的各种文件是进程创建的信息逻辑单元，同时文件也是对磁盘的一种建模模型。

文件系统是对磁盘的抽象，他用于管理文件和磁盘的使用，一块磁盘有成千上万个文件，每个文件都是独立与其它文件的。

这里先简单的介绍一下磁盘的一些知识，磁盘盘片的示意图如下所示：

盘片：磁盘中圆形的盘片是主要记录数据的物理介质

扇区：为磁盘的最小物理存储单元，每个扇区的大小都是固定的，同时每个磁道的扇区数量都是相同的。

柱面：将扇区组成一个圆环就是柱面，柱面是磁盘分区的最小单位。

磁盘分区：就是在分区表中记录可以访问的柱面范围。

其中磁盘的第一个扇区是最重要的，这里面记录了硬盘的主引导记录(Master boot Record)MBR，以及记录磁盘的分区表。

我们常见的文件系统主要有FAT，ext2，ext3，NTFS等，下图为一个典型的文件系统的组织结构示意图。

我们知道在使用一块磁盘之前是一定要进行格式化的，而这个格式化的过程就是将文件系统的一些元数据写入到磁盘中，比如描述正文件管理系统的超级块，分区表信息，MBR信息，一旦格式化完成这些信息就很难修改了。磁盘属于块设备，每次操作系统读磁盘都是一块一块的从磁盘读取数据，下面我们主要通过linux系统下的ext2文件系统。

文件

在Linux系统中一个文件包含文件的权限(rwx)与文件属性(所有者，群组，时间参数)，ext2文件系统将这些参数分别存放在不同的块中，权限与属相放置到inode中，至于实际的数据则放置到data block块中。在格式化磁盘分区格式化的时候，就为磁盘每个inode和block创建好了唯一的编号，每一个分区都有一个超级块，这个超级块记录了文件系统的整体信息，包括inode与block的总量，使用量，剩余量，同时在磁盘的使用过程中这些数据是实时变化的。

总结一下文件的存储结构：

• super block：记录文件系统的总体信息，包括inode/block的总量、使用量、剩余量，以及文件系统的格式与相关信息。
• inode：记录文件的属性，一个文件占用一个inode，同时记录此文件的数据所在的block编号。inode笃定大小为128bytes。

• block：实际记录文件的内容，根据文件大小不同，占用的block的个数也不同。block的大小有1k\2k\4k三种。

我们用上图来说明一下inode与block的关系，假如一个文件的属性与权限存在编号为4的inode上，inode记录了文件的存储位置为2、7、13、15这几个block上。这样操作系统就能在短时间内读取出全部的数据。

inode和block在磁盘格式化之后就已经规划好了，由于现在磁盘容量巨大，如果将所有的inode和block都放在一起是不容易管理的，所以，磁盘在格式化的时候是按照磁盘分区inode/block/super block分组进行格式化的。在本文的第一幅图中我们可以看到，磁盘分区为块组0、块组1、块组2、块组3等。

• 组描述符：这项描述的是每个组块中block的起始编号。
• block块位图：这个位图表是记录block的使用状态的，这里面的值是要随着添加和删除文件变化的。
• inode位图：功能类似于block块位图。