這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)Linux文件系統(tǒng)的原理是什么，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。

成都創(chuàng)新互聯(lián)公司是一家專注于網(wǎng)站建設(shè)、成都網(wǎng)站制作與策劃設(shè)計(jì),灤南網(wǎng)站建設(shè)哪家好?成都創(chuàng)新互聯(lián)公司做網(wǎng)站,專注于網(wǎng)站建設(shè)10余年,網(wǎng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)建站公司;建站業(yè)務(wù)涵蓋:灤南等地區(qū)。灤南做網(wǎng)站價(jià)格咨詢:18980820575

一、硬盤簡(jiǎn)介

在介紹文件系統(tǒng)前，我們先來了解一下 硬盤。

眾所周知，內(nèi)存在斷電后數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，所以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都通過 硬盤 來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。也就是說，硬盤中的數(shù)據(jù)在斷電后依然能夠保存下來。

現(xiàn)在比較流行的硬盤分為：機(jī)械硬盤(HDD) 和 固態(tài)硬盤(SSD)。由于本文重點(diǎn)介紹的對(duì)象是 文件系統(tǒng)，所以對(duì)于硬盤的原理就不進(jìn)行過多的介紹。下面是  機(jī)械硬盤 和 固態(tài)硬盤 的對(duì)照?qǐng)D：

我們可以把硬盤想象成一個(gè)巨大的數(shù)組，而數(shù)組的每個(gè)元素代表一個(gè)數(shù)據(jù)塊，如下圖：

在 Linux 內(nèi)核中，每個(gè)數(shù)據(jù)塊定義為 4KB 的大小，所以一個(gè) 128GB 的硬盤可以分為 33554432  個(gè)數(shù)據(jù)塊，內(nèi)核就是以數(shù)據(jù)塊的編號(hào)來對(duì)硬盤進(jìn)行讀寫操作的。

二、什么是文件系統(tǒng)

前面說過，內(nèi)核是以數(shù)據(jù)塊的形式來對(duì)硬盤進(jìn)行讀寫的，但是這對(duì)人類來說是非常不直觀的，因?yàn)槲覀儾豢赡苡涀∶恳粋€(gè)數(shù)據(jù)塊保存了什么數(shù)據(jù)。

為了讓用戶在使用上更方便和直觀，Linux 內(nèi)核抽象出兩個(gè)概念來管理硬盤中的數(shù)據(jù)：文件(File) 和 目錄(Directory)。

文件：用于保存數(shù)據(jù)。

目錄：用于保存文件列表，當(dāng)然目錄也可以保存目錄。

由于數(shù)據(jù)是保存在硬盤數(shù)據(jù)塊中，所以文件只需要記錄哪些數(shù)據(jù)塊屬于當(dāng)前文件即可。如下圖所示：

從上圖可以看出，目錄中既可以保存文件，也可以保存目錄。而文件中保存的是屬于當(dāng)前文件的數(shù)據(jù)塊編號(hào)，所以當(dāng)讀寫文件時(shí)，只需要找到文件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫即可。

三、MINIX 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在，我們以 MINIX 文件系統(tǒng)來詳細(xì)介紹文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理。由于 MINIX 文件系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單，所以適合用于教學(xué)使用。

1. MINIX 文件與目錄

在 MINIX 文件系統(tǒng)中，以 minix2_inode 對(duì)象來描述一個(gè)文件。我們來看看 minix2_inode 的定義：

struct minix2_inode {      __u16 i_mode;     // 模式      __u16 i_nlinks;   // 鏈接數(shù)      __u16 i_uid;      // 所屬用戶UID      __u16 i_gid;      // 所屬組ID      __u32 i_size;     // 文件大小      __u32 i_atime;    // 訪問時(shí)間      __u32 i_mtime;    // 修改時(shí)間      __u32 i_ctime;    // 創(chuàng)建時(shí)間      __u32 i_zone[10]; // 文件數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊編號(hào)  };

我們需要特別關(guān)注 minix2_inode 對(duì)象的 i_zone 字段，它就是用來記錄屬于當(dāng)前文件的數(shù)據(jù)塊編號(hào)。從定義來看，i_zone 是一個(gè)用于 10  個(gè)元素的整型數(shù)組，那么是否就說明 MINIX 的文件只能保存 40 KB 的數(shù)據(jù)呢?

答案是否定的，因?yàn)?MINIX 文件系統(tǒng)將 i_zone 數(shù)組分為 4 個(gè)部分：前 7  個(gè)元素直接指向保存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊編號(hào)，也就是數(shù)據(jù)會(huì)直接存儲(chǔ)在這些數(shù)據(jù)塊上，而第 8 個(gè)元素是一級(jí)間接指向，第 9 個(gè)元素是二級(jí)間接指向，第 10  個(gè)元素是三級(jí)間接指向。我們通過下圖來說明這個(gè)關(guān)系：

通過這種多級(jí)指向的方式，一個(gè) MINIX 文件就可以保存超過 40KB 的數(shù)據(jù)。

有描述文件的對(duì)象，那么也應(yīng)該有描述目錄的對(duì)象吧?在 MINIX 文件系統(tǒng)中，目錄也是使用 minix2_inode  對(duì)象來描述的。那么怎么區(qū)分文件和目錄呢?

在 minix2_inode 對(duì)象中有個(gè) 名為i_mode 的字段，它保存著 minix2_inode 對(duì)應(yīng)的類型，普通文件使用 S_IFREG  標(biāo)志來表示，而目錄使用 S_IFDIR 來表示。所以從本質(zhì)來看，目錄也是一種特殊的文件。

普通文件的數(shù)據(jù)塊保存的是文件的數(shù)據(jù)，那么目錄的數(shù)據(jù)塊保存的是什么?答案就是文件列表，而文件列表的每個(gè)表項(xiàng)使用 minix_dir_entry  對(duì)象表示，定義如下：

struct minix_dir_entry {      __u16 inode;      char name[0];  };

inode：當(dāng)前文件對(duì)應(yīng)的 minix2_inode 對(duì)象所處于 inode 數(shù)組的索引，我們暫時(shí)可以忽略此字段的作用，下面將會(huì)介紹。

name：用于記錄當(dāng)前文件的文件名，由于文件名的長(zhǎng)度是不固定的，所以這里使用了柔性數(shù)組(大小可變的數(shù)據(jù))來表示。

我們通過下圖來展示文件與目錄所指向的數(shù)據(jù)內(nèi)容的區(qū)別：

上圖展示了文件與目錄兩個(gè)明顯的區(qū)別：

• 文件的 i_mode 字段設(shè)置為 S_IFREG，而目錄的 i_mode 字段設(shè)置為 S_IFDIR。

• 文件的 i_zone 字段指向的數(shù)據(jù)塊保存的是文件的數(shù)據(jù)，而目錄的 i_zone 字段指向的數(shù)據(jù)塊保存的是文件列表。

2. MINIX 文件系統(tǒng)格式化

現(xiàn)在，我們基本了解 MINIX 文件系統(tǒng)對(duì)文件與目錄的存儲(chǔ)方式了，接下來我們將會(huì)介紹 MINIX 文件系統(tǒng)怎么管理硬盤中的文件和目錄，也就是我們常說的  格式化。

前面說過，我們可以把硬盤當(dāng)成一個(gè)由數(shù)據(jù)塊組成的巨大數(shù)組，那么 MINIX 文件系統(tǒng)會(huì)把硬盤劃分為以下幾個(gè)部分，如下圖所示：

下面我們對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行解說：

• 引導(dǎo)塊：占用一個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于操作系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)使用，我們可以忽略。

• 超級(jí)塊：占用一個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于保存文件系統(tǒng)的信息，MINIX 文件系統(tǒng)使用 minix_super_block 對(duì)象來保存文件系統(tǒng)的信息，如 inode位圖  占用幾個(gè)數(shù)據(jù)塊、數(shù)據(jù)塊位圖 占用幾個(gè)數(shù)據(jù)塊等。

• inode位圖：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于描述 inode表 中哪些成員已經(jīng)被使用，每個(gè)位表示一個(gè) inode 的使用情況。

• 數(shù)據(jù)塊位圖：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于描述 數(shù)據(jù)塊列表 中哪些成員已經(jīng)被使用，每個(gè)位表示一個(gè)數(shù)據(jù)塊的使用情況。

• inode表：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，由多個(gè) minix2_inode 對(duì)象組成，每個(gè) minix2_inode 對(duì)象表示一個(gè)文件或目錄。

• 數(shù)據(jù)塊列表：占用若干個(gè)數(shù)據(jù)塊，用于保存文件的數(shù)據(jù)。

上圖就是 MINIX 文件系統(tǒng)在硬盤中的格式化結(jié)構(gòu)，我們先來看看 超級(jí)塊 記錄的信息有哪些，超級(jí)塊是由 minix_super_block  對(duì)象表示，其定義如下：

struct minix_super_block {      __u16 s_ninodes;       // inode表的元素個(gè)數(shù)      __u16 s_nzones;        // 數(shù)據(jù)塊列表的元素個(gè)數(shù)(v1版本)      __u16 s_imap_blocks;   // inode位圖占用的數(shù)據(jù)塊數(shù)量      __u16 s_zmap_blocks;   // 數(shù)據(jù)塊位圖占用的數(shù)據(jù)塊數(shù)量      __u16 s_firstdatazone; // 第一個(gè)數(shù)據(jù)塊起始號(hào)      __u16 s_log_zone_size;      __u32 s_max_size;      // 文件最大尺寸      __u16 s_magic;         // 魔數(shù)(用于識(shí)別MINIX文件系統(tǒng))      __u16 s_state;         // 文件系統(tǒng)狀態(tài)      __u32 s_zones;         // 數(shù)據(jù)塊列表的元素個(gè)數(shù)(v2版本)  };

minix_super_block 每個(gè)字段的作用都在注釋中進(jìn)行了說明，通過 minix_super_block 對(duì)象我們可以了解到 MINIX  文件系統(tǒng)的信息。

3. 讀取文件過程

了解了 MINIX 文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組織，現(xiàn)在我們介紹一下 MINIX 文件系統(tǒng)讀取文件的過程。

例如，我們要讀取 /home/file.txt 文件的內(nèi)容，MINIX  文件系統(tǒng)是怎么準(zhǔn)確地查找到文件并且讀取其中的內(nèi)容呢?下面我們進(jìn)行分步來描述這個(gè)過程。

第一步：讀取根目錄

要讀取 /home/file.txt 文件，首先要從根目錄 / 開始，MINIX 文件系統(tǒng)約定根目錄使用 inode表  的第一個(gè)元素進(jìn)行存儲(chǔ)。如下圖：

如上圖所示，根目錄使用 inode表 的第一個(gè)元素進(jìn)行存儲(chǔ)，然后從根目錄的文件列表中查找目錄 home。從上圖可以看出，home 目錄的 inode索引  為 5，表示 home 目錄存儲(chǔ)在 inode表 的第 5 個(gè)元素中。

第二步：讀取 home 目錄

知道 home 目錄的 inode索引 為 5 后，再讀取 inode表 的第 5 個(gè)元素，然后再從 home 目錄的文件列表中查找文件  file.txt，過程如下圖：

如上圖所示，從 home 目錄的文件列表中找到 file.txt 文件的 inode索引 為 9，所以現(xiàn)在可以通過讀取 inode表 的第 9  個(gè)元素來獲得 file.txt 文件對(duì)應(yīng)的 inode 節(jié)點(diǎn)。

第三步：讀取 file.txt 文件的內(nèi)容

現(xiàn)在我們已經(jīng)知道了 file.txt 文件對(duì)應(yīng)的 inode索引，所以從 inode表 中讀取第 9 個(gè)元素即可獲得 file.txt 文件的  inode節(jié)點(diǎn)，然后就可以通過 inode節(jié)點(diǎn) 的 i_zone 字段所指向的數(shù)據(jù)塊來讀取文件的內(nèi)容，如下圖所示：

如上圖所示，通過讀取 inode表 的第 9 個(gè)元素獲得 file.txt 文件的 inode節(jié)點(diǎn) 后，可以通過 inode節(jié)點(diǎn) 的 i_zone  字段所指向的數(shù)據(jù)塊讀取文件的內(nèi)容。

另外說明一下，inode位圖 和 數(shù)據(jù)塊位圖 用于創(chuàng)建文件時(shí)，快速查找哪些 inode節(jié)點(diǎn) 和 數(shù)據(jù)塊 沒有被使用的。

雖然 Linux  系統(tǒng)有多種文件系統(tǒng)，但其基本思想都是怎么有效地管理硬盤的數(shù)據(jù)。所以，掌握 MINIX 文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)理解其他不同的文件系統(tǒng)有非常大的幫助。

關(guān)于Linux文件系統(tǒng)的原理是什么就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。