理解文件系统

一 什么是文件系统

? 文件系统是计算机操作系统中的一个核心组件，用于管理计算机中的文件和文件夹。它提供了一种组织和访问计算机存储设备上数据的方式。文件系统使用户能够创建、修改、删除和查找文件，以及组织文件和文件夹的层次结构。

?ps: linux一共有五大子系统：

1进程调度 2?进程通信 3?内存管理 4?网络接口 5?文件系统

二 文件命名机制

?文件是一种抽象机制，它提供了一种方式用来存储信息以及在后面进行读取。可能任何一种机制最重要的特性就是管理对象的命名方式。在创建一个文件后，它会给文件一个命名。当进程终止时，文件会继续存在，并且其他进程可以使用名称访问该文件。（实质上是因为文件存储在磁盘上，并非在内存）

? 文件命名规则对于不同的操作系统来说是不一样的，但是所有现代操作系统都允许使用 1 - 8 个字母的字符串作为合法文件名。

? 某些文件区分大小写字母，而大多数则不区分。UNIX 属于第一类；历史悠久的 MS-DOS 属于第二类（顺便说一句，尽管 MS-DOS 历史悠久，但 MS-DOS 仍在嵌入式系统中非常广泛地使用，因此它绝不是过时的）；因此，UNIX 系统会有三种不同的命名文件：maria、Maria、MARIA 。在 MS-DOS ，所有这些命名都属于相同的文件。

?

? 许多操作系统支持两部分的文件名，它们之间用 . 分隔开，比如文件名 prog.c。原点后面的文件称为 文件扩展名(file extension) ，文件扩展名通常表示文件的一些信息。

例如在 MS-DOS 中，文件名是 1 - 8 个字符，加上 1 - 3 个字符的可选扩展名组成。

? 在 UNIX 中，如果有扩展名，那么扩展名的长度将由用户来决定，一个文件甚至可以包括两个或更多的扩展名，例如 homepage.html.zip，html 表示一个 web 网页而 .zip 表示文件homepage.html 已经采用 zip 程序压缩完成。一些常用的文件扩展名以及含义如下：

ISO	镜像文件
RAR	压缩包
?html	网页
zip	压缩包
exe	可执行文件
pdf	pdf文档
?rm	视频文件
avi	视频文件
?tmp	临时文件
?mdf	虚拟光驱镜像文件
txt	记事本
?doc/docx	Word文档
?xls/xlsx	Excel工作表
?ppt/pptx	PowerPoint幻灯片
?MID	数字乐谱信息文件

? 在 UNIX 系统中，文件扩展名只是一种约定，操作系统并不强制采用。

? 名为 file.txt 的文件是文本文件，这个文件名更多的是提醒所有者，而不是给计算机传递信息。但是另一方面，C 编译器可能要求它编译的文件以.c 结尾，否则它会拒绝编译。然而，操作系统并不关心这一点。

? 对于可以处理多种类型的程序，约定就显得及其有用。例如 C 编译器可以编译、链接多种文件，包括 C 文件和汇编语言文件。这时扩展名就很有必要，编译器利用它们区分哪些是 C 文件，哪些是汇编文件，哪些是其他文件。因此，扩展名对于编译器判断哪些是 C 文件，哪些是汇编文件以及哪些是其他文件变得至关重要。

? 与 UNIX 相反，Windows 就会关注扩展名并对扩展名赋予了新的含义。用户(或进程) 可以在操作系统中注册扩展名，并且规定哪个程序能够拥有扩展名。当用户双击某个文件名时，拥有该文件名的程序就启动并运行文件。例如，双击 file.docx 启动了 Word 程序，并以 file.docx 作为初始文件。

三 目录

? 文件系统通常提供目录(directories)?或者?文件夹(folders)?用于记录文件的位置，在很多系统中目录本身也是文件，下面我们会讨论关于文件，他们的组织形式、属性和可以对文件进行的操作。

3.1一级目录系统

? 目录系统最简单的形式是有一个能够包含所有文件的目录。这种目录被称为根目录(root directory)，由于根目录的唯一性，所以其名称并不重要。在最早期的个人计算机中，这种系统很常见，部分原因是因为只有一个用户。下面是一个单层目录系统的例子

? 该目录中有四个文件。这种设计的优点在于简单，并且能够快速定位文件，毕竟只有一个地方可以检索。这种目录组织形式现在一般用于简单的嵌入式设备（如数码相机和某些便携式音乐播放器）上使用。??

?3.2层次目录系统

? 对于简单的应用而言，一般都用单层目录方式，但是这种组织形式并不适合于现代计算机，因为现代计算机含有成千上万个文件和文件夹。如果都放在根目录下，查找起来会非常困难。为了解决这一问题，出现了层次目录系统(Hierarchical Directory Systems)，也称为目录树。通过这种方式，可以用很多目录把文件进行分组。进而，如果多个用户共享同一个文件服务器，比如公司的网络系统，每个用户可以为自己的目录树拥有自己的私人根目录。这种方式的组织结构如下：
??

四 文件系统的实现?

??在对文件有了基本认识之后，现在是时候把目光转移到文件系统的实现上了。之前用户关心的一直都是文件是怎样命名的、可以进行哪些操作、目录树是什么，如何找到正确的文件路径等问题。而设计人员关心的是文件和目录是怎样存储的、磁盘空间是如何管理的、如何使文件系统得以流畅运行的问题，下面我们就来一起讨论一下这些问题。

4.1引导块

? MBR 做的第一件事就是确定活动分区，读入它的第一个块，称为引导块(boot block) 并执行。引导块中的程序将加载分区中的操作系统。为了一致性，每个分区都会从引导块开始，即使引导块不包含操作系统。引导块占据文件系统的前 4096 个字节，从磁盘上的字节偏移量 0 开始。引导块可用于启动操作系统。

? 在计算机中，引导就是启动计算机的过程，它可以通过硬件（例如按下电源按钮）或者软件命令的方式来启动。开机后，电脑的 CPU 还不能执行指令，因为此时没有软件在主存中，所以一些软件必须先被加载到内存中，然后才能让 CPU 开始执行。也就是计算机开机后，首先会进行软件的装载过程。

? 重启电脑的过程称为重新引导(rebooting)，从休眠或睡眠状态返回计算机的过程不涉及启动。

除了从引导块开始之外，磁盘分区的布局是随着文件系统的不同而变化的。通常文件系统会包含一些属性，如下：

4.2超级块?

紧跟在引导块后面的是 超级块(Superblock)，超级块 的大小为 4096 字节，从磁盘上的字节偏移 4096 开始。超级块包含文件系统的所有关键参数

• 文件系统的大小
• 文件系统中的数据块数
• 指示文件系统状态的标志
• 分配组大小

在计算机启动或者文件系统首次使用时，超级块会被读入内存。

4.3空闲空间块

?接着是文件系统中空闲块（空闲空间）的信息，例如，可以用位图或者指针列表的形式给出。

4.4.1?inode的概念?

? ?文件= 内容+ 属性。

? ?文件数据都储存在"块"中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为"索引节点"。

4.4.2? inode的内容

? inode的本质其实就是一个结构体。

?我们可以通过stat指令查看一个文件的inode信息。

??

inode中的内容如下:

• 文件的字节数，块数
• 文件拥有者的User ID
• 文件的Group ID
• 文件的读、写、执行权限
• 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次 变动的
• 时间，atime指文件上一次打开的时间。
• 链接数，即有多少文件名指向这个inode
• 文件数据block的位置
• inode编号（对应数组的下标）

? 文件分为两部分，索引节点和块。一旦创建后，每种类型的块数是固定的。你不能增加分区上 inode 的数量，也不能增加磁盘块的数量。

? 紧跟在 inode 后面的是根目录，它存放的是文件系统目录树的根部。最后，磁盘的其他部分存放了其他所有的目录和文件。

五 block区和inode区的理解

?硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区（block区），存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。

? inode区是以数组的形式存储的，对应的数组下标就是inode编码，每个元素就是一个结构体（结构体内容在上面已说）,inode结构体中会有一个指针，指向block区也就是存放的文件内容。（可以理解成map，通过inode找到block里面的内容）

? 六 软硬链接

6.1 硬链接

?一般情况下，文件名和inode号码是一一对应关系，每个inode号码对应一个文件名，但是Linux系统允许多个文件名指向同一个inode号码，这就意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容：对文件内容进行修改，会影响到所有文件名，但是删除一个文件名，不影响另一个文件名访问，这种情况叫做硬链接。

? 可以使用ln命令创建硬链接：格式 ln 源文件名 目标文件名

? 运行这条命令以后，源文件与目标文件的inode号码相同，都指向同一个inode,inode信息中有一项叫做链接数，记录指向该inode的文件总数，这时会加1，反过来，删除一个文件名，会减一，当链接数变为0时，表明没有文件指向这个inode号码，系统就会回收这个inode号码与文件数据块区。

? （可以理解为对源文件的一种复制）

6.2 软链接

除了硬链接以外，还有一种情况，文件A与文件B的号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动访问导向文件B。

因此，无论打开哪一个文件，最终都会读取文件B，这时，文件A就叫做文件B的软连接。

? 这意味着，文件A依赖于文件B而存在，若删除了文件B，打开文件A就会报错。这就是软连接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是inode号码，文件B的inode链接数不会发生变化。

ln -s命令可创建软连接。

格式： ln -s 源文件或目录 目标文件或目录·

软连接两个文件都具有属于自己的inode与文件块区。
?