Linux文件系统的实现

Linux文件管理从用户的层面介绍了Linux管理文件的方式。Linux有一个树状结构来组织文件。树的顶端为根目录(/),节点为目录,而末端的叶子为包含数据的文件。当我们给出一个文件的完整路径时,我们从根目录出发,经过沿途各个目录,最终到达文件。

我们可以对文件进行许多操作,比如打开和读写。在Linux文件管理相关命令中,我们看到许多对文件进行操作的命令。它们大都基于对文件的打开和读写操作。比如cat可以打开文件,读取数据,最后在终端显示:

对于Linux下的程序员来说,了解文件系统的底层组织方式,是深入进行系统编程所必备的。即使是普通的Linux用户,也可以根据相关的内容,设计出更好的系统维护方案。

存储设备分区

文件系统的最终目的是把大量数据有组织的放入持久性(persistant)的存储设备中,比如硬盘和磁盘。这些存储设备与内存不同。它们的存储能力具有持久性,不会因为断电而消失;存储量大,但读取速度慢。

观察常见存储设备。最开始的区域是MBR,用于Linux开机启动(参考Linux开机启动)。剩余的空间可能分成数个分区(partition)。每个分区有一个相关的分区表(Partition table),记录分区的相关信息。这个分区表是储存在分区之外的。分区表说明了对应分区的起始位置和分区的大小。

我们在Windows系统常常看到C分区、D分区等。Linux系统下也可以有多个分区,但都被挂载在同一个文件系统树上。

数据被存入到某个分区中。一个典型的Linux分区(partition)包含有下面各个部分:

分区的第一个部分是启动区(Boot block),它主要是为计算机开机服务的。Linux开机启动后,会首先载入MBR,随后MBR从某个硬盘的启动区加载程序。该程序负责进一步的操作系统的加载和启动。为了方便管理,即使某个分区中没有安装操作系统,Linux也会在该分区预留启动区。

启动区之后的是超级区(Super block)。它存储有文件系统的相关信息,包括文件系统的类型,inode的数目,数据块的数目。

随后是多个inodes,它们是实现文件存储的关键。在Linux系统中,一个文件可以分成几个数据块存储,就好像是分散在各地的龙珠一样。为了顺利的收集齐龙珠,我们需要一个“雷达”的指引:该文件对应的inode。每个文件对应一个inode。这个inode中包含多个指针,指向属于该文件各个数据块。当操作系统需要读取文件时,只需要对应inode的”地图”,收集起分散的数据块,就可以收获我们的文件了。

最后一部分,就是真正储存数据的数据块们(data blocks)了。

inode简介

上面我们看到了存储设备的宏观结构。我们要深入到分区的结构,特别是文件在分区中的存储方式。

文件是文件系统对数据的分割单元。文件系统用目录来组织文件,赋予文件以上下分级的结构。在硬盘上实现这一分级结构的关键,是使用inode来虚拟普通文件和目录文件对象。

Linux文件管理中,我们知道,一个文件除了自身的数据之外,还有一个附属信息,即文件的元数据(metadata)。这个元数据用于记录文件的许多信息,比如文件大小,拥有人,所属的组,修改日期等等。元数据并不包含在文件的数据中,而是由操作系统维护的。事实上,这个所谓的元数据就包含在inode中。我们可以用$ls -l filename来查看这些元数据。正如我们上面看到的,inode所占据的区域与数据块的区域不同。每个inode有一个唯一的整数编号(inode number)表示。

在保存元数据,inode是“文件”从抽象到具体的关键。正如上一节中提到的,inode储存由一些指针,这些指针指向存储设备中的一些数据块,文件的内容就储存在这些数据块中。当Linux想要打开一个文件时,只需要找到文件对应的inode,然后沿着指针,将所有的数据块收集起来,就可以在内存中组成一个文件的数据了。

数据块在1, 32, 0, …

inode并不是组织文件的唯一方式。最简单的组织文件的方法,是把文件依次顺序的放入存储设备,DVD就采取了类似的方式。但如果有删除操作,删除造成的空余空间夹杂在正常文件之间,很难利用和管理。

复杂的方式可以使用链表,每个数据块都有一个指针,指向属于同一文件的下一个数据块。这样的好处是可以利用零散的空余空间,坏处是对文件的操作必须按照线性方式进行。如果想随机存取,那么必须遍历链表,直到目标位置。由于这一遍历不是在内存进行,所以速度很慢。

FAT系统是将上面链表的指针取出,放入到内存的一个数组中。这样,FAT可以根据内存的索引,迅速的找到一个文件。这样做的主要问题是,索引数组的大小与数据块的总数相同。因此,存储设备很大的话,这个索引数组会比较大。

inode既可以充分利用空间,在内存占据空间不与存储设备相关,解决了上面的问题。但inode也有自己的问题。每个inode能够存储的数据块指针总数是固定的。如果一个文件需要的数据块超过这一总数,inode需要额外的空间来存储多出来的指针。

inode示例

在Linux中,我们通过解析路径,根据沿途的目录文件来找到某个文件。目录中的条目除了所包含的文件名,还有对应的inode编号。当我们输入$cat /var/test.txt时,Linux将在根目录文件中找到var这个目录文件的inode编号,然后根据inode合成var的数据。随后,根据var中的记录,找到text.txt的inode编号,沿着inode中的指针,收集数据块,合成text.txt的数据。整个过程中,我们参考了三个inode:根目录文件,var目录文件,text.txt文件的inodes。

在Linux下,可以使用$stat filename,来查询某个文件对应的inode编号。

在存储设备中实际上存储为:

当我们读取一个文件时,实际上是在目录中找到了这个文件的inode编号,然后根据inode的指针,把数据块组合起来,放入内存供进一步的处理。当我们写入一个文件时,是分配一个空白inode给该文件,将其inode编号记入该文件所属的目录,然后选取空白的数据块,让inode的指针指像这些数据块,并放入内存中的数据。

文件共享

在Linux的进程中,当我们打开一个文件时,返回的是一个文件描述符。这个文件描述符是一个数组的下标,对应数组元素为一个指针。有趣的是,这个指针并没有直接指向文件的inode,而是指向了一个文件表格,再通过该表格,指向加载到内存中的目标文件的inode。如下图,一个进程打开了两个文件。

可以看到,每个文件表格中记录了文件打开的状态(status flags),比如只读,写入等,还记录了每个文件的当前读写位置(offset)。当有两个进程打开同一个文件时,可以有两个文件表格,每个文件表格对应的打开状态和当前位置不同,从而支持一些文件共享的操作,比如同时读取。

要注意的是进程fork之后的情况,子进程将只复制文件描述符的数组,而和父进程共享内核维护的文件表格和inode。此时要特别小心程序的编写。

总结

这里概括性的总结了Linux的文件系统。Linux以inode的方式,让数据形成文件。

了解Linux的文件系统,是深入了解操作系Linux原理的重要一步。

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