linux文件系统实现原理

分区介绍

文件系统的最终目的是把大量数据有组织的放入持久性(persistant)的存储设备中,比如硬盘、磁盘。常见的存储设备,最开始的区域是MBR,用于Linux开机启动,剩余的空间可能分成数个分区(partition),每个分区有一个相关的分区表(Partition table),记录分区的相关信息,这个分区表是存储在分区之外的,分区表说明了对应分区的起始位置和分区大小。


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我们在windows系统常常看到c分区、d分区等,linux系统下也可以有多个分区,但都被挂载在同一个文件系统树上。一个典型的linux分区(partition)包含下面各个部分:


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分区的第一个部分是启动区(Boot block), 它主要是为计算机开机服务的,linux开机启动后,会首先载入MBR,随后MBR从某个硬盘的启动区加载程序,该程序负责进一步的操作系统的加载和启动。为了方便管理,即使某个分区中没有安装操作系统,linux也会在该分区预留启动区。启动区之后是超级块,它存储文件系统相关信息,比如文件系统的类型,inode的数目,数据块的数目。随后是多个inodes,它们是实现文件存储的关键。在linux系统中,一个文件可以分成几个数据块存储,就像是分散在各地的龙珠一样,为了顺利地收集齐龙珠,我们需要一个雷达的指引:该文件对应的inode,每个文件对应一个inode,这个inode包含多个指针,指向属于该文件的各个数据块,当操作系统需要读取文件时,只需要对应的inode地图,收集起分散的数据块,就可以获取到我们的文件了。partition的最后一部分就是真正存储数据的数据块了(data blocks)。

inode介绍

上面我们介绍了存储设备的宏观结构,接下来我们要深入到分区的结构,特别是文件在分区的存储方式。文件是文件系统对数据的分割单元,文件系统利用目录来组织文件,赋予文件以上下分级的结构。在硬盘上实现这一分级结构的关键,是使用inode来虚拟普通文件和目录文件对象。我们知道一个文件除了自身的数据之外,还有一个附属信息,即文件的元数据(metadata),这个元数据用来记录文件大小,拥有人,所属组等信息。元数据并不包含在文件的数据中,它由操作系统维护。事实上,这个所谓的元数据包含在inode中,inode是文件从抽象到具体的关键,inode储存由一些指针,这些指针指向存储设备中的一些数据块,文件的内容就储存在这些数据块中。当Linux想要打开一个文件时,只需要找到文件对应的inode,然后沿着指针,将所有的数据块收集起来,就可以在内存中组成一个文件的数据了

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inode并不是组织文件的唯一方式,最简单的组织文件方法,是把文件依次顺序存入存储设备,dvd就采取类似的方式,但如果有删除操作,删除造成的空余空间夹杂在正常文件之间,很难利用和管理。复杂的方式可以使用链表,每个数据块都有一个指针,指向属于同一文件的下一个数据块。这样的好处是可以利用零散的空余空间,坏处是对文件的操作必须按照线性方式进行。如果想随机存取,那么必须遍历链表,直到目标位置。由于这一遍历不是在内存进行,所以速度很慢。FAT系统是将上面链表的指针取出,放入到内存的一个数组中。这样,FAT可以根据内存的索引,迅速的找到一个文件。这样做的主要问题是,索引数组的大小与数据块的总数相同。因此,存储设备很大的话,这个索引数组会比较大。inode既可以充分利用空间,在内存占据空间不与存储设备相关,解决了上面的问题。但inode也有自己的问题。每个inode能够存储的数据块指针总数是固定的。如果一个文件需要的数据块超过这一总数,inode需要额外的空间来存储多出来的指针。

举列说明

在Linux中,我们通过解析路径,根据沿途的目录文件来找到某个文件。目录中的条目除了所包含的文件名,还有对应的inode编号。当我们输入cat /var/test.txt时,Linux将在根目录文件中找到var这个目录文件的inode编号,然后根据inode合成var的数据,随后根据var中的记录,找到text.txt的inode编号,沿着inode中的指针,收集数据块,合成text.txt数据,整个过程中,我们参考了三个inode,根目录文件,var目录文件,text.txt文件的inode。(在Linux下,可以使用stat filename,来查询某个文件对应的inode编号。)

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在存储设备中实际上存储为:

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当我们读取一个文件时,实际上是在目录中找到这个文件的inode编号,然后根据inode的指针,将数据块组合起来,放入内存来进一步处理。当我们写入一个文件时,是分配一个空表的inode给该文件,将其inode编号写入该文件所属的目录,然后选取空白的数据块,让inode的指针指向这些数据块,并写入内存中的数据。

文件共享

在Linux的进程中,当我们打开一个文件时,返回的是一个文件描述符。这个文件描述符是一个数组的下标,对应数组元素为一个指针。有趣的是,这个指针并没有直接指向文件的inode,而是指向了一个文件表格,再通过该表格,指向加载到内存中的目标文件的inode。如下图,一个进程打开了两个文件。

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可以看到,每个文件表格中记录了文件打开的状态(status flags),比如只读,写入等,还记录了每个文件的当前读写位置(offset)。当有两个进程打开同一个文件时,可以有两个文件表格,每个文件表格对应的打开状态和当前位置不同,从而支持一些文件共享的操作,比如同时读取。要注意的是进程fork之后的情况,子进程将只复制文件描述符的数组,而和父进程共享内核维护的文件表格和inode。

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