全面解析文件文件系統

前言：

文件系統作為linux總最基礎的但愿。理解并深入了解文件系統對linux的學習有重要意義。我們從文件系統創建，構成以及工作流程幾個方面全方位的介紹文件系統的相關概念。

簡述：

一塊完整的磁盤經過分區后我們就可以通過格式化，根據我們的需求構建文件系統能使用的文件系統格式。傳統的文檔系統中，一個分區就只能夠被格式化為一個文件系統。所以我們可以說一個文件系統就是一個分區。但因為新技術的引用，我們在格式化時已經不再說是針對分區格式化了，通常我們可以把一個可被掛載的資料稱為一個文件系統。

文件系統內的文件除了文件本身的內容外，通常會包含許多與文件本身內容無關的屬性，例如文件的權限，時間參數，屬主等。我們把這種文件自身的屬性稱作元數據(metadata),把文件內容稱為數據（data）.文件系統將這兩部分數據分別存放在不同的區域，文件屬性放置到inode(引用節點)中，實際數據則放置在data block區域中。另外還有一個超級區塊（superblock）會記錄整個檔案系統的整體信息，包括inode與block的總量，使用量和剩余量等。

磁盤的基本單位是扇區，每個扇區的大小為512個字節，如果文件系統以扇區為基本存儲單位，再給每個扇區進行編號，那么光是扇區的編號就占了好大的存儲空間，所以文件系統是block為最小存儲單位的，一個block典型的大小是1024字節或者4096字節，在磁盤格式化就得設置好，并且之后不可修改。一個block最多只能放置一個文件，即使這個文件只有1個字節。

Inode和block都是有編號的。每個文件占用一個inode，inode所存放的元數據包含文件數據放置的block號碼。因為，如果能找到inode的話，那么自然就會知道這個檔案所放置資料的block號碼。當然也就能讀出該文件的實際數據了。

我們將inode與block區塊用圖解來說明下，如下圖所示，文件系統先格式化出inode與block的區域，假設某一文件的元數據放置在inode4號的位置，而這個inode記錄了文件數據實際存放在2，7，13，15這四個block號碼所對應的block中，這樣我們的文件系統就能一次把4個block中的內容讀取出來。這種資料存取的方法我們稱為索引式文檔系統(indexed allocation)

詳細描述：

通過前面的簡述，我們已經大概了解到linux文件系統相關的概念：inode，block，superblock。文件系統一開始就將inode和block規劃好了，除非從新格式化（或者利用resize2fs等指令變更文件系統大?。?，否則inode與block固定后就不變動。為管理的方便，inode與block并沒有被放在一起。而是文件系統在格式化的時候基本就劃分為多個區塊群組（block group）的，并且每個區塊群組都有自己獨立的inode/block/superblock系統。Linux文件系統格式化后有點像下面這樣：

每個區塊內容說明如下：

• Data block

Data block是用來存放文件數據的地方。在linux文件系統中block的大小有1K,2K以及4K三種。在格式化時block的大小就固定了，且每個block都有編號，以方便inode的記錄。

• Inode table(inode 表格)

Inode主要保存以下文件的元數據：

         文件類型，權限，UID,GID

         鏈接數（即硬鏈接數）

         該文件的大小和不同的時間戳

         指向磁盤上文件的數據塊指針

         定義文件特性的標記，如SetUID..

每個inode的大小固定為128 bytes（新的ext4與xfs可設定到256bytes），每個文件都只占有一個inode。一個block的大小就幾k，而一個文件卻大的多，而inode記錄一條block號碼就要花掉4字節，那我們有如何用128字節的inode去記錄成千上萬的block號碼的記錄呢？為此我們的系統很聰明的將inode記錄block號碼的區域定義為12個直接，一個間接，一個雙重間接，一個三重間接。這是什么呢？我們把Inode的結構畫出來：

  上圖左邊為inode本身(128字節)，里面有12個直接指向block號碼的對照，這12個記錄都能直接取得block號碼。之后所謂的簡介就是拿一個block來當作記錄block號碼的記錄器，如果文件太大就會使用簡介的block來記錄號碼。同理，如果，文件持續長大，那么就會利用所謂的雙間接，第一個block僅再指出下一個記錄號碼的block在哪里，實際記錄的在第二個block當中。以此類推，三簡介就是利用第三層block來記錄號碼。

• Superblock(超級區塊)

Superblock是記錄整個文件系統相關信息的地方，沒有superblock，就沒有整個文件系統了，其中的信息主要包含：block和inode的總量，未使用的數量，block和inode的大小，文件系統的各種時間，以及文件系統被掛載與否的狀態標識。

一個文件系統中僅有一個superblock，除了第一個block group內含有碎片而block之外，后續的block group不一定含有superblock，即使有，也僅僅是作為第一個block group內surperblock的備份而已。

• Filesystem Description（文件系統描述說明）

這個區段可以描述每個block group的開始與結束的block號碼，以及說明每個區段(superblock,bitmap,inodemap,data block)分別介于哪兩個block號碼之間。

• Block bitmap（區塊對照表）和inode bitmap（inode對照表）

分別用來記錄使用和未使用的block號碼和inode號碼。當我們使用或者釋放block或inode時就可以通過這個兩個對照表進行查看。

目錄

linux文件中有一個特殊的文件就是目錄文件，首先，不要被windows中文件夾的說法而擾亂。目錄文件的內容就是一張目錄下所有文件的文件名與inode號碼的對照表。

當我們打開一個目錄下名為 文件1的文件時，系統通過目錄的對照表找到文件的inode號，通過inode號獲取inode信息，最后根據Inode信息找到文件數據所在的區域，讀出數據。所以目錄并不是一個盒子把文件都裝在里面，而是一個文件的清單，然后通過這個清單找到文件。

總結：

   關于文件系統的基本概念就先講到這里，而之后文件的權限，又是一大塊內容，得分單獨博客進行說明。文件系統做為linux的基礎，理解其各個基礎概念是學習linux所必須的基礎。