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[26252] 2020-09-10_一口气搞懂「文件系统」，就靠这25张图了

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-09-10_一口气搞懂「文件系统」，就靠这25张图了 一 口 气 搞 懂 「 文 件 系 统 」 ， 就 靠 这   2 5   张 图 了 L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 9 - 1 0 以 下 文 章 来 源 于 小 林 c o d i n g   ， 作 者 小 林 c o d i n g 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： 小 林 小 林 c o d i n g 前 言 前 言 不 多   B B ， 直 接 上 「 硬 菜 」 。 小 林 小 林 c o d i n g   . 图 解 得 了 技 术 ， 谈 吐 得 了 烟 火 。
正 文 正 文 文 件 系 统 的 基 本 组 成 文 件 系 统 是 操 作 系 统 中 负 责 管 理 持 久 数 据 的 子 系 统 ， 说 简 单 点 ， 就 是 负 责 把 用 户 的 文 件 存 到 磁 盘 硬 件 中 ， 因 为 即 使 计 算 机 断 电 了 ， 磁 盘 里 的 数 据 并 不 会 丢 失 ， 所 以 可 以 持 久 化 的 保 存 文 件 。 文 件 系 统 的 基 本 数 据 单 位 是 文 件 ， 它 的 目 的 是 对 磁 盘 上 的 文 件 进 行 组 织 管 理 ， 那 组 织 的 方 式 不 同 ， 就 会 形 成 不 同 的 文 件 系 统 。 L i n u x   最 经 典 的 一 句 话 是 ： 「 一 切 皆 文 件 一 切 皆 文 件 」 ， 不 仅 普 通 的 文 件 和 目 录 ， 就 连 块 设 备 、 管 道 、 s o c k e t   等 ， 也 都 是 统 一 交 给 文 件 系 统 管 理 的 。 L i n u x   文 件 系 统 会 为 每 个 文 件 分 配 两 个 数 据 结 构 ： 索 引 节 点 （ 索 引 节 点 （ i n d e x   n o d e ） 和 目 录 项 （ ） 和 目 录 项 （ d i r e c t o r y e n t r y ） ） ， 它 们 主 要 用 来 记 录 文 件 的 元 信 息 和 目 录 层 次 结 构 。 索 引 节 点 ， 也 就 是   i n o d e ， 用 来 记 录 文 件 的 元 信 息 ， 比 如   i n o d e   编 号 、 文 件 大 小 、 访 问 权 限 、 创 建 时 间 、 修 改 时 间 、 数 据 在 磁 盘 的 位 置 数 据 在 磁 盘 的 位 置 等 等 。 索 引 节 点 是 文 件 的 唯 一 唯 一 标 识 ， 它 们 之 间 一 一 对 应 ， 也 同 样 都 会 被 存 储 在 硬 盘 中 ， 所 以 索 引 节 点 同 样 占 用 磁 盘 空 间 索 引 节 点 同 样 占 用 磁 盘 空 间 。 目 录 项 ， 也 就 是   d e n t r y ， 用 来 记 录 文 件 的 名 字 、 索 引 节 点 指 针 索 引 节 点 指 针 以 及 与 其 他 目 录 项 的 层 级 关 联 关 系 。 多 个 目 录 项 关 联 起 来 ， 就 会 形 成 目 录 结 构 ， 但 它 与 索 引 节 点 不 同 的 是 ， 目 录 项 是 由 内 核 维 护 的 一 个 数 据 结 目 录 项 是 由 内 核 维 护 的 一 个 数 据 结 构 ， 不 存 放 于 磁 盘 ， 而 是 缓 存 在 内 存 构 ， 不 存 放 于 磁 盘 ， 而 是 缓 存 在 内 存 。 由 于 索 引 节 点 唯 一 标 识 一 个 文 件 ， 而 目 录 项 记 录 着 文 件 的 名 ， 所 以 目 录 项 和 索 引 节 点 的 关 系 是 多 对 一 ， 也 就 是 说 ， 一 个 文 件 可 以 有 多 个 别 字 。 比 如 ， 硬 链 接 的 实 现 就 是 多 个 目 录 项 中 的 索 引 节 点 指 向 同 一 个 文 件 。 注 意 ， 目 录 也 是 文 件 ， 也 是 用 索 引 节 点 唯 一 标 识 ， 和 普 通 文 件 不 同 的 是 ， 普 通 文 件 在 磁 盘 里 面 保 存 的 是 文 件 数 据 ， 而 目 录 文 件 在 磁 盘 里 面 保 存 子 目 录 或 文 件 。 目 录 项 和 目 录 是 一 个 东 西 吗 ？ 虽 然 名 字 很 相 近 ， 但 是 它 们 不 是 一 个 东 西 ， 目 录 是 个 文 件 ， 持 久 化 存 储 在 磁 盘 ， 而 目 录 项 是 内 核 一 个 数 据 结 构 ， 缓 存 在 内 存 。 如 果 查 询 目 录 频 繁 从 磁 盘 读 ， 效 率 会 很 低 ， 所 以 内 核 会 把 已 经 读 过 的 目 录 用 目 录 项 这 个 数 据 结 构 缓 存 在 内 存 ， 下 次 再 次 读 到 相 同 的 目 录 时 ， 只 需 从 内 存 读 就 可 以 ， 大 大 提 高 了 文 件 系 统 的 效 率 。 注 意 ， 目 录 项 这 个 数 据 结 构 不 只 是 表 示 目 录 ， 也 是 可 以 表 示 文 件 的 。 那 文 件 数 据 是 如 何 存 储 在 磁 盘 的 呢 ？ 磁 盘 读 写 的 最 小 单 位 是 扇 区 扇 区 ， 扇 区 的 大 小 只 有 5 1 2 B
大 小 ， 很 明 显 ， 如 果 每 次 读 写 都 以 这 么 小 为 单 位 ， 那 这 读 写 的 效 率 会 非 常 低 。 所 以 ， 文 件 系 统 把 多 个 扇 区 组 成 了 一 个 逻 辑 块 逻 辑 块 ， 每 次 读 写 的 最 小 单 位 就 是 逻 辑 块 （ 数 据 块 ） ， L i n u x   中 的 逻 辑 块 大 小 为 ， 也 就 是 一 次 性 读 写   8   个 扇 区 ， 这 将 大 大 提 高 了 磁 盘 的 读 写 的 效 率 。 以 上 就 是 索 引 节 点 、 目 录 项 以 及 文 件 数 据 的 关 系 ， 下 面 这 个 图 就 很 好 的 展 示 了 它 们 之 间 的 关 系 ： 索 引 节 点 是 存 储 在 硬 盘 上 的 数 据 ， 那 么 为 了 加 速 文 件 的 访 问 ， 通 常 会 把 索 引 节 点 加 载 到 内 存 中 。 另 外 ， 磁 盘 进 行 格 式 化 的 时 候 ， 会 被 分 成 三 个 存 储 区 域 ， 分 别 是 超 级 块 、 索 引 节 点 区 和 数 据 块 区 。 超 级 块 ， 用 来 存 储 文 件 系 统 的 详 细 信 息 ， 比 如 块 个 数 、 块 大 小 、 空 闲 块 等 等 。 索 引 节 点 区 ， 用 来 存 储 索 引 节 点 ； 数 据 块 区 ， 用 来 存 储 文 件 或 目 录 数 据 ； 我 们 不 可 能 把 超 级 块 和 索 引 节 点 区 全 部 加 载 到 内 存 ， 这 样 内 存 肯 定 撑 不 住 ， 所 以 只 有 当 需 要 使 用 的 时 候 ， 才 将 其 加 载 进 内 存 ， 它 们 加 载 进 内 存 的 时 机 是 不 同 的 ： 超 级 块 ： 当 文 件 系 统 挂 载 时 进 入 内 存 ； 索 引 节 点 区 ： 当 文 件 被 访 问 时 进 入 内 存 ； 4 K B
虚 拟 文 件 系 统 文 件 系 统 的 种 类 众 多 ， 而 操 作 系 统 希 望 对 用 户 提 供 一 个 统 一 的 接 口 对 用 户 提 供 一 个 统 一 的 接 口 ， 于 是 在 用 户 层 与 文 件 系 统 层 引 入 了 中 间 层 ， 这 个 中 间 层 就 称 为 虚 拟 文 件 系 统 （ 虚 拟 文 件 系 统 （ V i r t u a l   F i l e   S y s t e m ， ， V F S ） 。 ） 。 V F S   定 义 了 一 组 所 有 文 件 系 统 都 支 持 的 数 据 结 构 和 标 准 接 口 ， 这 样 程 序 员 不 需 要 了 解 文 件 系 统 的 工 作 原 理 ， 只 需 要 了 解   V F S   提 供 的 统 一 接 口 即 可 。 在   L i n u x   文 件 系 统 中 ， 用 户 空 间 、 系 统 调 用 、 虚 拟 机 文 件 系 统 、 缓 存 、 文 件 系 统 以 及 存 储 之 间 的 关 系 如 下 图 ：
L i n u x   支 持 的 文 件 系 统 也 不 少 ， 根 据 存 储 位 置 的 不 同 ， 可 以 把 文 件 系 统 分 为 三 类 ： 磁 盘 的 文 件 系 统 ， 它 是 直 接 把 数 据 存 储 在 磁 盘 中 ， 比 如   E x t   2 / 3 / 4 、 X F S   等 都 是 这 类 文 件 系 统 。 内 存 的 文 件 系 统 ， 这 类 文 件 系 统 的 数 据 不 是 存 储 在 硬 盘 的 ， 而 是 占 用 内 存 空 间 ， 我 们 经 常 用 到 的 / p r o c
和 文 件 系 统 都 属 于 这 一 类 ， 读 写 这 类 文 件 ， 实 际 上 是 读 写 内 核 中 相 关 的 数 据 数 据 。 网 络 的 文 件 系 统 ， 用 来 访 问 其 他 计 算 机 主 机 数 据 的 文 件 系 统 ， 比 如   N F S 、 S M B   等 等 。 文 件 系 统 首 先 要 先 挂 载 到 某 个 目 录 才 可 以 正 常 使 用 ， 比 如   L i n u x   系 统 在 启 动 时 ， 会 把 文 件 系 统 挂 载 到 根 目 录 。 文 件 的 使 用 我 们 从 用 户 角 度 来 看 文 件 的 话 ， 就 是 我 们 要 怎 么 使 用 文 件 ？ 首 先 ， 我 们 得 通 过 系 统 调 用 来 打 开 一 个 文 件 。 上 面 简 单 的 代 码 是 读 取 一 个 文 件 的 过 程 ： 首 先 用 系 统 调 用 打 开 文 件 ， 的 参 数 中 包 含 文 件 的 路 径 名 和 文 件 名 。 使 用 写 数 据 ， 其 中 使 用 所 返 回 的 文 件 描 述 符 文 件 描 述 符 ， 并 不 使 用 文 件 名 作 为 参 数 。 使 用 完 文 件 后 ， 要 用 / s y s f d   =   o p e n ( n a m e ,   f l a g ) ;   #   打 开 文 件 . . . w r i t e ( f d , . . . ) ;                   #   写 数 据 . . . c l o s e ( f d ) ;                           #   关 闭 文 件 o p e n o p e n w r i t e w r i t e o p e n c l o s e
系 统 调 用 关 闭 文 件 ， 避 免 资 源 的 泄 露 。 我 们 打 开 了 一 个 文 件 后 ， 操 作 系 统 会 跟 踪 进 程 打 开 的 所 有 文 件 ， 所 谓 的 跟 踪 呢 ， 就 是 操 作 系 统 为 每 个 进 程 维 护 一 个 打 开 文 件 表 ， 文 件 表 里 的 每 一 项 代 表 「 文 件 描 述 符 文 件 描 述 符 」 ， 所 以 说 文 件 描 述 符 是 打 开 文 件 的 标 识 。 打 开 文 件 表 操 作 系 统 在 打 开 文 件 表 中 维 护 着 打 开 文 件 的 状 态 和 信 息 ： 文 件 指 针 ： 系 统 跟 踪 上 次 读 写 位 置 作 为 当 前 文 件 位 置 指 针 ， 这 种 指 针 对 打 开 文 件 的 某 个 进 程 来 说 是 唯 一 的 ； 文 件 打 开 计 数 器 ： 文 件 关 闭 时 ， 操 作 系 统 必 须 重 用 其 打 开 文 件 表 条 目 ， 否 则 表 内 空 间 不 够 用 。 因 为 多 个 进 程 可 能 打 开 同 一 个 文 件 ， 所 以 系 统 在 删 除 打 开 文 件 条 目 之 前 ， 必 须 等 待 最 后 一 个 进 程 关 闭 文 件 ， 该 计 数 器 跟 踪 打 开 和 关 闭 的 数 量 ， 当 该 计 数 为   0   时 ， 系 统 关 闭 文 件 ， 删 除 该 条 目 ； 文 件 磁 盘 位 置 ： 绝 大 多 数 文 件 操 作 都 要 求 系 统 修 改 文 件 数 据 ， 该 信 息 保 存 在 内 存 中 ， 以 免 每 个 操 作 都 从 磁 盘 中 读 取 ； 访 问 权 限 ： 每 个 进 程 打 开 文 件 都 需 要 有 一 个 访 问 模 式 （ 创 建 、 只 读 、 读 写 、 添 加 等 ） ， 该 信 息 保 存 在 进 程 的 打 开 文 件 表 中 ， 以 便 操 作 系 统 能 允 许 或 拒 绝 之 后 的   I / O   请 求 ； 在 用 户 视 角 里 ， 文 件 就 是 一 个 持 久 化 的 数 据 结 构 ， 但 操 作 系 统 并 不 会 关 心 你 想 存 在 磁 盘 上 的 任 何 的 数 据 结 构 ， 操 作 系 统 的 视 角 是 如 何 把 文 件 数 据 和 磁 盘 块 对 应 起 来 。 所 以 ， 用 户 和 操 作 系 统 对 文 件 的 读 写 操 作 是 有 差 异 的 ， 用 户 习 惯 以 字 节 的 方 式 读 写 文 件 ， 而 操 作 系 统 则 是 以 数 据 块 来 读 写 文 件 ， 那 屏 蔽 掉 这 种 差 异 的 工 作 就 是 文 件 系 统 了 。 我 们 来 分 别 看 一 下 ， 读 文 件 和 写 文 件 的 过 程 ： 当 用 户 进 程 从 文 件 读 取   1   个 字 节 大 小 的 数 据 时 ， 文 件 系 统 则 需 要 获 取 字 节 所 在 的 数 据 块 ， 再 返 回 数 据 块 对 应 的 用 户 进 程 所 需 的 数 据 部 分 。 当 用 户 进 程 把   1   个 字 节 大 小 的 数 据 写 进 文 件 时 ， 文 件 系 统 则 找 到 需 要 写 入 数 据 的 数 据 块 的 位 置 ， 然 后 修 改 数 据 块 中 对 应 的 部 分 ， 最 后 再 把 数 据 块 写 回 磁 盘 。 所 以 说 ， 文 件 系 统 的 基 本 操 作 单 位 是 数 据 块 文 件 系 统 的 基 本 操 作 单 位 是 数 据 块 。
文 件 的 存 储 文 件 的 数 据 是 要 存 储 在 硬 盘 上 面 的 ， 数 据 在 磁 盘 上 的 存 放 方 式 ， 就 像 程 序 在 内 存 中 存 放 的 方 式 那 样 ， 有 以 下 两 种 ： 连 续 空 间 存 放 方 式 非 连 续 空 间 存 放 方 式 其 中 ， 非 连 续 空 间 存 放 方 式 又 可 以 分 为 「 链 表 方 式 」 和 「 索 引 方 式 」 。 不 同 的 存 储 方 式 ， 有 各 自 的 特 点 ， 重 点 是 要 分 析 它 们 的 存 储 效 率 和 读 写 性 能 ， 接 下 来 分 别 对 每 种 存 储 方 式 说 一 下 。 连 续 空 间 存 放 方 式 连 续 空 间 存 放 方 式 连 续 空 间 存 放 方 式 顾 名 思 义 ， 文 件 存 放 在 磁 盘 「 连 续 的 」 物 理 空 间 中 文 件 存 放 在 磁 盘 「 连 续 的 」 物 理 空 间 中 。 这 种 模 式 下 ， 文 件 的 数 据 都 是 紧 密 相 连 ， 读 写 效 率 很 高 读 写 效 率 很 高 ， 因 为 一 次 磁 盘 寻 道 就 可 以 读 出 整 个 文 件 。 使 用 连 续 存 放 的 方 式 有 一 个 前 提 ， 必 须 先 知 道 一 个 文 件 的 大 小 ， 这 样 文 件 系 统 才 会 根 据 文 件 的 大 小 在 磁 盘 上 找 到 一 块 连 续 的 空 间 分 配 给 文 件 。 所 以 ， 文 件 头 里 需 要 指 定 「 起 始 块 的 位 置 」 和 「 长 度 」 文 件 头 里 需 要 指 定 「 起 始 块 的 位 置 」 和 「 长 度 」 ， 有 了 这 两 个 信 息 就 可 以 很 好 的 表 示 文 件 存 放 方 式 是 一 块 连 续 的 磁 盘 空 间 。 注 意 ， 此 处 说 的 文 件 头 ， 就 类 似 于   L i n u x   的   i n o d e 。 连 续 空 间 存 放 方 式 连 续 空 间 存 放 的 方 式 虽 然 读 写 效 率 高 ， 但 是 有 「 磁 盘 空 间 碎 片 」 和 「 文 件 长 度 不 易 扩 展 」 的 缺 陷 。 但 是 有 「 磁 盘 空 间 碎 片 」 和 「 文 件 长 度 不 易 扩 展 」 的 缺 陷 。 如 下 图 ， 如 果 文 件   B   被 删 除 ， 磁 盘 上 就 留 下 一 块 空 缺 ， 这 时 ， 如 果 新 来 的 文 件 小 于 其 中 的 一 个 空 缺 ， 我 们 就 可 以 将 其 放 在 相 应 空 缺 里 。 但 如 果 该 文 件 的 大 小 大 于 所 有 的 空 缺 ， 但 却 小 于 空 缺 大 小 之 和 ， 则 虽 然 磁 盘 上
有 足 够 的 空 缺 ， 但 该 文 件 还 是 不 能 存 放 。 当 然 了 ， 我 们 可 以 通 过 将 现 有 文 件 进 行 挪 动 来 腾 出 空 间 以 容 纳 新 的 文 件 ， 但 是 这 个 在 磁 盘 挪 动 文 件 是 非 常 耗 时 ， 所 以 这 种 方 式 不 太 现 实 。 磁 盘 碎 片 另 外 一 个 缺 陷 是 文 件 长 度 扩 展 不 方 便 ， 例 如 上 图 中 的 文 件   A   要 想 扩 大 一 下 ， 需 要 更 多 的 磁 盘 空 间 ， 唯 一 的 办 法 就 只 能 是 挪 动 的 方 式 ， 前 面 也 说 了 ， 这 种 方 式 效 率 是 非 常 低 的 。 那 么 有 没 有 更 好 的 方 式 来 解 决 上 面 的 问 题 呢 ？ 答 案 当 然 有 ， 既 然 连 续 空 间 存 放 的 方 式 不 太 行 ， 那 么 我 们 就 改 变 存 放 的 方 式 ， 使 用 非 连 续 空 间 存 放 方 式 来 解 决 这 些 缺 陷 。 非 连 续 空 间 存 放 方 式 非 连 续 空 间 存 放 方 式 非 连 续 空 间 存 放 方 式 分 为 「 链 表 方 式 」 和 「 索 引 方 式 」 。 我 们 先 来 看 看 链 表 的 方 式 。 链 表 的 方 式 存 放 是 离 散 的 ， 不 用 连 续 的 离 散 的 ， 不 用 连 续 的 ， 于 是 就 可 以 消 除 磁 盘 碎 片 消 除 磁 盘 碎 片 ， 可 大 大 提 高 磁 盘 空 间 的 利 用 率 ， 同 时 文 件 的 长 度 可 以 动 态 扩 展 文 件 的 长 度 可 以 动 态 扩 展 。 根 据 实 现 的 方 式 的 不 同 ， 链 表 可 分 为 「 隐 式 链 表 隐 式 链 表 」 和 「 显 式 链 接 显 式 链 接 」 两 种 形 式 。 文 件 要 以 「 隐 式 链 表 隐 式 链 表 」 的 方 式 存 放 的 话 ， 实 现 的 方 式 是 文 件 头 要 包 含 「 第 一 块 」 和 「 最 后 一 块 」 的 位 实 现 的 方 式 是 文 件 头 要 包 含 「 第 一 块 」 和 「 最 后 一 块 」 的 位 置 ， 并 且 每 个 数 据 块 里 面 留 出 一 个 指 针 空 间 ， 用 来 存 放 下 一 个 数 据 块 的 位 置 置 ， 并 且 每 个 数 据 块 里 面 留 出 一 个 指 针 空 间 ， 用 来 存 放 下 一 个 数 据 块 的 位 置 ， 这 样 一 个 数 据 块 连 着 一 个 数 据 块 ， 从 链 头 开 是 就 可 以 顺 着 指 针 找 到 所 有 的 数 据 块 ， 所 以 存 放 的 方 式 可 以 是 不 连 续 的 。
隐 式 链 表 隐 式 链 表 的 存 放 方 式 的 缺 点 在 于 无 法 直 接 访 问 数 据 块 ， 只 能 通 过 指 针 顺 序 访 问 文 件 ， 以 及 数 据 块 指 针 消 缺 点 在 于 无 法 直 接 访 问 数 据 块 ， 只 能 通 过 指 针 顺 序 访 问 文 件 ， 以 及 数 据 块 指 针 消 耗 了 一 定 的 存 储 空 间 耗 了 一 定 的 存 储 空 间 。 隐 式 链 接 分 配 的 稳 定 性 较 差 稳 定 性 较 差 ， 系 统 在 运 行 过 程 中 由 于 软 件 或 者 硬 件 错 误 导 致 链 表 中 导 致 链 表 中 的 指 针 丢 失 或 损 坏 ， 会 导 致 文 件 数 据 的 丢 失 。 的 指 针 丢 失 或 损 坏 ， 会 导 致 文 件 数 据 的 丢 失 。 如 果 取 出 每 个 磁 盘 块 的 指 针 ， 把 它 放 在 内 存 的 一 个 表 中 ， 就 可 以 解 决 上 述 隐 式 链 表 的 两 个 不 足 。 那 么 ， 这 种 实 现 方 式 是 「 显 式 链 接 显 式 链 接 」 ， 它 指 把 用 于 链 接 文 件 各 数 据 块 的 指 针 ， 显 式 地 存 放 在 内 存 的 一 张 链 接 表 中 把 用 于 链 接 文 件 各 数 据 块 的 指 针 ， 显 式 地 存 放 在 内 存 的 一 张 链 接 表 中 ， 该 表 在 整 个 磁 盘 仅 设 置 一 张 ， 每 个 表 项 中 存 放 链 接 指 针 ， 指 向 下 一 个 数 据 块 号 每 个 表 项 中 存 放 链 接 指 针 ， 指 向 下 一 个 数 据 块 号 。 对 于 显 式 链 接 的 工 作 方 式 ， 我 们 举 个 例 子 ， 文 件   A   依 次 使 用 了 磁 盘 块   4 、 7 、 2 、 1 0   和   1 2   ， 文 件   B   依 次 使 用 了 磁 盘 块   6 、 3 、 1 1   和   1 4   。 利 用 下 图 中 的 表 ， 可 以 从 第   4   块 开 始 ， 顺 着 链 走 到 最 后 ， 找 到 文 件   A   的 全 部 磁 盘 块 。 同 样 ， 从 第   6   块 开 始 ， 顺 着 链 走 到 最 后 ， 也 能 够 找 出 文 件   B   的 全 部 磁 盘 块 。 最 后 ， 这 两 个 链 都 以 一 个 不 属 于 有 效 磁 盘 编 号 的 特 殊 标 记 （ 如   - 1   ） 结 束 。 内 存 中 的 这 样 一 个 表 格 称 为 文 件 分 配 表 （ 文 件 分 配 表 （ F i l e A l l o c a t i o n   T a b l e ， ， F A T ） ） 。
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