Linux——文件系统
前言：通过对基础IO的学习，可以知道：文件描述符用于标识已经打开的文件，通过数组数组下标来建立映射关系，而这个数组是一个指针数组，每个文件都有一个file对象，内部保存了文件相关的inode等其他信息。
inode_number用于寻找该文件存储在磁盘或者硬盘的文件信息和数据。
1.硬件基础
1.1 理解什么是柱面、磁道、磁头、扇区
磁道：完整的一圈被称为磁道
扇区：图中黑色部分称为扇区 注：即使长短不同，但是实际扇区A、B、C的大小都为512B
扇区是存储数据的基本单位
柱面：磁盘是分布如图所示，而柱面是垂直方向上，所有磁道构成的面，有多少磁道，就有多少柱面
磁头：磁盘一般有上下两个面，每个面对应一个磁头，那么一个磁盘共有两个磁头
1.2 LBA地址
我们可以把每个磁道拉直，这样就抽象成了一个数组，每个扇区对应有着自己的地址(其实是数组下标)，这种地址叫做LBA
某扇区的LBA = 它所在的柱面号 * 单个柱面的扇区总数 + 它所在的磁头号*每磁道扇区数 + 扇区号S - 1
2.初识文件系统
2.1 什么是“块”？
为了提高效率，操作系统实际在读取硬盘时，不会按最小单位读取(即一个扇区一个扇区读取)，而是一次性读取多个扇区，这样连续的扇区被称为”块“。
块：一个块的大小通常为 4KB = 4096B一个扇区的大小为512B，那么一个块就由8个扇区构成。
注：
知道LBA，块号 = LBA/8
知道块号，扇区 = 块号*8 + n(块内第几个扇区)
2.2 什么是“分区”？
磁盘是可以被分成多个”分区“的，就比如我们熟悉的windows操作系统，一块硬盘能够被分成 C盘、D盘、E盘等。其中C、D、E就是分区，分区本质上是对硬盘的格式化。
注：柱面是分区的最小单位。
2.3什么是“inode”？
用于存储文件的创建者、创建日期、大小等信息的区域叫做inode
注：
①：linux中文件存储的属性和内容是分离存储的
②：linux下，保存文件属性的集合inode，一个文件一个inode，inode内有一个唯一的标识符，叫做inode号
③：文件名属性没有纳入到inode数据结构中
④：inode的大小一般为128字节或者256字节
⑤：任何文件的内容大小可以不同，但是属性大小一定是相同的
3.ext2文件系统
3.1 宏观认识
ext2文件系统将整个区域划分为不同的分区(假设为1、2、3、4)，再将其中的每个分区划分成若干个同样大小的组块(Block Group)，如下图所示。
3.2 块组内部构成
3.2.1 inode table (i节点表)
存放文件属性 如文件大小，所有者，最近修改时间等
当前分组所有inode属性的集合
inode_number 以分区为单位，在同一分区内是唯一的，不可跨分区
注：通过inode_number就可以找到对应文件的信息
3.2.2 Block Bitmap (块位图)
通过位图的方式来记录哪个数据块被占用，哪个数据块没有被占用
例如：一个有98304个bit位，换算后对应3个数据块，那么在Block Bitmap中 001，就表示第一个数据块被占用，其他没有被占用。
3.2.3 inode Bitamp 位图
每个bit表示一个inode是否空闲可用
3.2.4 GDT (Group Descriptor Table)
块组描述符表，描述块组属性信息，整个分区分成多个块组就对应有多少个块组描述符。每个块组描述符存储一个块组的描述信息，如在这个块组中从哪里开始是inode Table，从哪里开始是DataBlocks，空闲的inode和数据块还有多少个等等。块组描述符在每个块组的开头都有一份拷贝。
3.2.5 Super Block
存放文件系统本身的结构信息，描述整个分区的文件系统信息。记录的信息主要有：block和inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了
注：
①：当知道了 block 和 inode table 的大小就知道了 Block BitMap 和 Inode Bitmap的大小，就知道了GDT多大，因此Super Block衡量了一个分区所有信息
②：在使用一个分组前，需要把所有信息写入到Super Block 和 GDT 当中，同时将Blcok Bitmap、inode BitMap、inode Table、Data Block 全部清零，这个过程就叫格式化。
③：不是所有块组都有Super Block，一个inode Block挂了，影响不过是几个g的数据，但是一个超级块挂了，影响就是几百G的数据 ，因此当其中一个超级块出问题时，可以用其他块组中的超级块来恢复。
这就是为什么超级块会被放在多个块组中，而不是单独放在File System中，就是为了其中一个出错，数据还能够恢复
3.2.6 Date Blocks
数据区：存放文件内容，也就是一个一个的Block。根据不同文件类型有以下几种情况
👉：对于普通文件，文件的数据存储在数据块中
👉：对于目录，该目录下所有的文件名和目录名存储在所在目录的数据块中，除了文件名外
👉：Block号和inode number 一样按照分区划分，不可跨区，且每个分区内唯一
3.2.7 初步总结：
通过对上述内部构成的认识，可以有初步的认识：一个磁盘被分成多个区，每个区都有Super Block 来描述每个区的信息，因此只要把每个区的超级块通过数据结构连接起来并加载到内存中，其中每一个区被分成多个块组，块组中有GDT、Block、inode BitMap，同样将这些信息加载到内存中，只要知道文件的inode号，就能在指定分区中确定哪一个分组，进而在哪一个分组确定是哪一个inode，只要有了inode，对应的文件属性和内容就全都有了，操作系统就能通过对数据结构的增删查改来实现对磁盘的管理。
3.3 目录与文件名
在实际的过程中，我们访问文件并不会使用inode号，而是使用文件名，但文件名并不会保存在inode中。
3.3.1 路径解析
问：我们该如何看待目录？
答：目录也是按照上述方式保存，也有自己的 inode table 和数据内容，而数据内容保存了inode和文件名的映射关系。
因此，访问文件时，必须打开当前目录，根据数据内容中的映射关系，通过文件名找到inode号，然后进行文件访问
所以，访问文件必须要知道当前工作目录，本质是必须能打开当前工作目录文件，查看目录文件的内容(因为数据内容中有文件名和inode_number的映射关系，只要知道了inode_number就知道该打开哪个文件对应的信息了)。
看这样一个目录：/blender_picture/Output。上述说了，要想访问一个文件，必须打开当前目录，也就是说我必须先打开Output文件，而打开Output文件就必须先打开
blender_picture，打开blender_picture需要打开/(根)目录。
注：/目录在系统启动时就会创建
3.3.2 路径缓存
问：难道我们访问任何文件都要从/目录开始吗？
答：这样做效率太低了，实际上，操作系统在进行路径解析时，会把历史访问的所有目录形成一颗多叉树，进行保存。有就直接加载，没有就继续完善二叉树，第二次查找的时候就会变得很快。
注：struct dentry 路径缓存，pcb中没有，只在内存中保存，每个文件都有dentry结构，包括普通文件，这样所有被打开的文件都可以在内存中实现树形结构
3.3.3 挂载分区
通过inode，我们可以在指定分区中找到对应文件存储的信息，但是如何确定文件在哪个分区呢?
答：挂载分区是将一个存储设备（如硬盘的一个分区）与操作系统的目录树中的某个目录建立关联的过程。这样，用户就可以通过访问该目录来访问存储设备上的文件和数据，具体过程：分区→格式化→建立挂载点→执行挂载操作
4.当一个文件打开时发生了什么？
当没有指定路径时，操作系统会添加pwd， 并且在内核当中搜索路径，如果没有当前路径，则会在内核中添加当前路径作为新的路径，以便下次可以快速打开；如果有当前路径，则直接打开文件，并找到对应inode，根据文件的inode找到文件的属性和内容，在内核当中创建struct file、创建struct inode、创建文件缓冲区，将inode的属性进行填充、磁盘属性加载到内存、文件内容部分加载到文件缓冲区，把struct file对应地址在文件描述符表中进行分配，给用户返回文件描述符，因此之后用户就可以通过文件描述符找到该文件内存当中的struct file对象 、对应路径inode以及缓冲区。
原文地址：https://blog.csdn.net/m0_51952310/article/details/145181249
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