图解Linux文件系统结构与原理

在之前的文章中，我曾从源码角度分析过 Linux 文件系统，但这种方式对于新手来说可能略显枯燥。所以，这次我将通过图文结合的方式，详细讲解 Linux 文件系统的原理，而不会深入到源代码的细节。

一、硬盘简介

在介绍文件系统之前，我们先来了解一下硬盘。

众所周知，内存中的数据会在断电后丢失，因此现代计算机使用硬盘来存储数据。硬盘中的数据在断电后依然能够保存。

目前，常见的硬盘类型包括机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。由于本文的重点是文件系统，所以不会详细介绍硬盘的原理。以下是机械硬盘和固态硬盘的对比图：

我们可以将硬盘想象成一个巨大的数组，每个元素代表一个数据块，如下图所示：

在 Linux 内核中，每个数据块的大小定义为 4KB。因此，一个 128GB 的硬盘可以被划分为 33554432 个数据块，内核通过数据块的编号来进行读写操作。

二、什么是文件系统

前面提到，内核通过数据块来读写硬盘，但这种方式对人类来说并不直观，因为我们无法记住每个数据块存储的内容。

为了让用户使用起来更方便和直观，Linux 内核抽象出两个概念来管理硬盘中的数据：文件（File）和目录（Directory）。

文件用于存储数据，目录用于存储文件列表，当然，目录也可以包含其他目录。由于数据存储在硬盘的数据块中，文件只需要记录哪些数据块属于它即可。如下图所示：

从图中可以看出，目录可以包含文件和子目录，而文件则记录了属于它的数据块编号。因此，读取或写入文件时，只需找到对应的文件数据块即可。

三、MINIX 文件系统实现

现在，我们以 MINIX 文件系统为例，详细介绍文件系统的设计原理。由于 MINIX 文件系统结构简单，非常适合用于教学。

1. MINIX 文件与目录

在 MINIX 文件系统中，一个文件由 minix2_inode 对象描述。我们来看一下 minix2_inode 的定义：

struct minix2_inode {
    __u16 i_mode;     // 模式
    __u16 i_nlinks;   // 链接数
    __u16 i_uid;      // 所属用户UID
    __u16 i_gid;      // 所属组ID
    __u32 i_size;     // 文件大小
    __u32 i_atime;    // 访问时间
    __u32 i_mtime;    // 修改时间
    __u32 i_ctime;    // 创建时间
    __u32 i_zone[10]; // 文件对应的数据块编号
};

我们需要特别关注 minix2_inode 对象中的 i_zone 字段，它记录了属于当前文件的数据块编号。从定义来看，i_zone 是一个包含 10 个元素的整数数组。那么，是否意味着 MINIX 文件只能存储 40 KB 的数据呢？

答案是否定的。MINIX 文件系统将 i_zone 数组分为四个部分：前 7 个元素直接指向存储数据的数据块编号，第 8 个元素是一级间接指向，第 9 个元素是二级间接指向，第 10 个元素是三级间接指向。我们通过下图来解释这种关系：

通过这种多级指向的方式，一个 MINIX 文件可以存储超过 40KB 的数据。

既然有描述文件的对象，那么也应该有描述目录的对象。在 MINIX 文件系统中，目录也使用 minix2_inode 对象来描述。那么，如何区分文件和目录呢？

在 minix2_inode 对象中，有一个名为 i_mode 的字段，它保存了 minix2_inode 对应的类型。普通文件使用 S_IFREG 标志表示，而目录使用 S_IFDIR 标志表示。因此，从本质上来说，目录也是一种特殊的文件。

普通文件的数据块存储的是文件的数据，那么目录的数据块存储的是什么呢？答案是文件列表，每个表项使用 minix_dir_entry 对象表示，定义如下：

struct minix_dir_entry {
    __u16 inode;     // 当前文件对应的 minix2_inode 对象在 inode 数组中的索引
    char name[0];    // 用于记录当前文件的文件名，由于文件名长度不固定，这里使用柔性数组表示
};

我们通过下图来展示文件与目录在数据内容上的区别：

上图展示了文件与目录的两个明显区别：

• 文件的 i_mode 字段设置为 S_IFREG，而目录的 i_mode 字段设置为 S_IFDIR。
• 文件的 i_zone 字段指向的数据块存储的是文件的数据，而目录的 i_zone 字段指向的数据块存储的是文件列表。

2. MINIX 文件系统格式化

现在，我们基本了解了 MINIX 文件系统对文件与目录的存储方式，接下来介绍 MINIX 文件系统如何管理硬盘中的文件和目录，也就是我们常说的格式化。

我们可以将硬盘视为一个由数据块组成的巨大数组，MINIX 文件系统将硬盘划分为以下几个部分，如下图所示：

下面我们对这几个部分进行解释：

• 引导块：占用一个数据块，用于操作系统启动时使用，我们可以忽略。
• 超级块：占用一个数据块，用于保存文件系统的信息，MINIX 文件系统使用 minix_super_block 对象来保存文件系统的信息，如 inode位图 占用几个数据块、数据块位图 占用几个数据块等。
• inode位图：占用若干个数据块，用于描述 inode表 中哪些成员已经被使用，每个位表示一个 inode 的使用情况。
• 数据块位图：占用若干个数据块，用于描述 数据块列表 中哪些成员已经被使用，每个位表示一个数据块的使用情况。
• inode表：占用若干个数据块，由多个 minix2_inode 对象组成，每个 minix2_inode 对象表示一个文件或目录。
• 数据块列表：占用若干个数据块，用于保存文件的数据。

上图展示了 MINIX 文件系统在硬盘中的格式化结构。我们先来看一下 超级块 记录的信息有哪些，超级块由 minix_super_block 对象表示，其定义如下：

struct minix_super_block {
    __u16 s_ninodes;       // inode表的元素个数
    __u16 s_nzones;        // 数据块列表的元素个数(v1版本)
    __u16 s_imap_blocks;   // inode位图占用的数据块数量
    __u16 s_zmap_blocks;   // 数据块位图占用的数据块数量
    __u16 s_firstdatazone; // 第一个数据块起始号
    __u16 s_log_zone_size;
    __u32 s_max_size;      // 文件最大尺寸
    __u16 s_magic;         // 魔数(用于识别MINIX文件系统)
    __u16 s_state;         // 文件系统状态
    __u32 s_zones;         // 数据块列表的元素个数(v2版本)
};

minix_super_block 每个字段的作用都在注释中进行了说明，通过 minix_super_block 对象我们可以了解到 MINIX 文件系统的信息。

3. 读取文件过程

了解了 MINIX 文件系统的结构组织，现在我们介绍一下 MINIX 文件系统读取文件的过程。

例如，我们要读取 /home/file.txt 文件的内容，MINIX 文件系统是如何准确地找到文件并读取其中的内容呢？下面我们分步描述这个过程。

第一步：读取根目录

要读取 /home/file.txt 文件，首先要从根目录 / 开始。MINIX 文件系统约定根目录使用 inode表 的第一个元素进行存储。如下图：

如上图所示，根目录使用 inode表 的第一个元素进行存储，然后从根目录的文件列表中查找目录 home。从图中可以看出，home 目录的 inode索引 为 5，表示 home 目录存储在 inode表 的第 5 个元素中。

第二步：读取 home 目录

知道 home 目录的 inode索引 为 5 后，再读取 inode表 的第 5 个元素，然后从 home 目录的文件列表中查找文件 file.txt，过程如下图：

如上图所示，从 home 目录的文件列表中找到 file.txt 文件的 inode索引 为 9，所以现在可以通过读取 inode表 的第 9 个元素来获得 file.txt 文件对应的 inode 节点。

第三步：读取 file.txt 文件的内容

现在我们已经知道了 file.txt 文件对应的 inode索引，所以从 inode表 中读取第 9 个元素即可获得 file.txt 文件的 inode节点，然后就可以通过 inode节点 的 i_zone 字段所指向的数据块来读取文件的内容，如下图所示：

如上图所示，通过读取 inode表 的第 9 个元素获得 file.txt 文件的 inode节点 后，可以通过 inode节点 的 i_zone 字段所指向的数据块读取文件的内容。

四、总结

本文通过 MINIX 这种简单的文件系统来介绍如何设计一个文件系统。虽然 Linux 系统有多种文件系统，但其基本思想都是如何有效地管理硬盘的数据。因此，掌握 MINIX 文件系统的设计对理解其他不同的文件系统有非常大的帮助。