你手里有一块硬盘 ， 大小为 1T
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你还有一堆文件
这些文件在硬盘看来 ， 就是一堆二进制数据而已
你准备把这些文件存储在硬盘上 ， 并在需要的时候读取出来 。
要设计怎样的软件 ， 才能更方便地在硬盘中读写这些文件呢？
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首先我不想和复杂的扇区 ， 设备驱动等细节打交道 ， 因此我先实现了一个简单的功能 ， 将硬盘按逻辑分成一个个的块 ， 并可以以块为单位进行读写 。
每个块就定义为两个物理扇区的大小 ， 即 1024 字节 ， 就是 1KB 啦 。
硬盘太大不好分析 ， 我们就假设你的硬盘只有 1MB ， 那么这块硬盘则有 1024 个块 。
OK ， 我们开始存文件啦！
准备一个文件
随便选个块放进去 ， 3 号块吧！
成功！首战告捷！
2
再存一个文件！
诶？发现问题了 ， 万一这个文件也存到了 3 号块 ， 不是把原来的文件覆盖了么？不行 ， 得有一个地方记录 ， 现在可使用的块有哪些 ， 像这样 。
块 0：未使用
块 1：未使用
块 2：未使用
块 3：已使用
块 4：未使用
...
块 1023：未使用
那我们就用 0 号块 ， 来记录所有块的使用情况吧！怎么记录呢？
位图！
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那我们给块 0 起个名字 ， 叫块位图 ， 之后这个块 0 就专门用来记录所有块的使用情况 ， 不再用来存具体文件了 。
当我们再存入一个新文件时 ， 只需要在块位图中找到第一个为 0 的位 ， 就可以找到第一个还未被使用的块 ， 将文件存入 。 同时 ， 别忘了把块位图中的相应位置改成 1 。
完美！
3
下面 ， 我们尝试读取刚刚的文件 。
咦？又遇到问题了 ， 我怎么找到刚刚的文件呢？根据块号么？这也太蠢了 ， 就像你去书店找书 ， 店员让你提供书的编号 ， 而不是书名 ， 显然不合理 。
因此我们给每个文件起一个名字 ， 叫文件名 ， 通过它来寻找这个文件 。
那必然就要有一个地方 ， 记录文件名与块号的对应关系 ， 像这样 。
葵花宝典.txt：3 号块
高量期末复习资料.mp4：5 号块
中科院物理所的秘密.pdf：10 号块
...
别急 ， 既然都要选一个地方记录文件名称了 ， 不妨多记录一点我们关心的信息吧 ， 比如文件大小、文件创建时间、文件权限等 。
这些东西自然也要保存在硬盘上 ， 我们选择用一个固定大小的空间 ， 来表示这些信息 ， 多大空间呢？128 字节吧 。
为啥是 128 字节呢？我乐意 。
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我们将这 128 字节的结构体 ， 叫做一个 inode 。
之后 ， 我们每存入一个新的文件 ， 不但要占用一个块来存放这个文件本身 ， 还要占用一个 inode 来存放文件的这些元信息 ， 并且这个 inode 的所在块号这个字段 ， 就指向这个文件所在的块号 。
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如果一个 inode 为 128 字节 ， 那么一个块就可以容纳 8 个 inode ， 我们可以将这些 inode 编上号 。
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如果你觉得 inode 数不够 ， 也可以用两个或者多个块来存放 inode 信息 ， 但这样用于存放数据的块就少了 ， 这就看你自己的平衡了 。
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同样 ， 和块位图管理块的使用情况一样 ， 我们也需要一个 inode 位图 ， 来管理 inode 的使用情况 。 我们就把 inode 位图 ， 放在 1 号块吧！
同时 ， 我们把 inode 信息 ， 放在 2 号块 ， 一共存 8 条 inode ， 这样我们的 2 号块就叫做 inode 表 。
现在 ， 我们的文件系统结构 ， 变成了下面这个样子 。
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注意：块位图是管理可用的块 ， 每一位代表一个块的使用与否 。 inode 位图管理的是一条一条的 inode ， 并不是 inode 所占用的块 ， 比如上图中有 8 条 inode ， 则 inode 位图中就有 8 位是管理他们的使用与否 。
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现在 ， 我们的文件很小 ， 一个块就能容下 。
但如果需要两个块、三个块、四个块呢？
很简单 ， 我们只需要采用连续存储法 ， 而 inode 则只记录文件的第一个块 ， 以及后面还需要多少块 ， 即可 。
这种办法的缺点就是：容易留下大大小小的空洞 ， 新的文件到来以后 ， 难以找到合适的空白块 ， 空间会被浪费 。
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看来这种方式不行 ， 那怎么办呢？
既然在 inode 中记录了文件所在的块号 ， 为什么不扩展一下 ， 多记录几块呢？
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原来在 inode 中只记录了一个块号 ， 现在扩展一下 ， 记录 8 个块号！而且这些块不需要连续 。
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嗯 ， 这是个可行的办法！
但是这也仅仅能表示 8 个块 ， 能记录的最大文件是 8K（记住 ， 一个块是 1K）, 现在的文件轻松就超过这个限制了 ， 这怎么办？
很简单 ， 我们可以让其中一个块 ， 作为间接索引 。
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这样瞬间就有 263 个块（多了 256 -1 个块）可用了 ， 这种索引叫一级间接索引 。
如果还嫌不够 ， 就再弄一个块做一级间接索引 ， 或者做二级间接索引（二级间接索引则可以多出 256 * 256 - 1 个块） 。
我们的文件系统 ， 暂且先只弄一个一级间接索引 。 硬盘一共才 1024 个块 ， 一个文件 263 个块够大了 。 再大了不允许 ， 就这么任性 ， 爱用不用 。
好了 ， 现在我们已经可以保存很大的文件了 ， 并且可以通过文件名和文件大小 ， 将它们准确读取出来啦！
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但我们得精益求精 ， 我们再想想看这个文件系统有什么毛病 。
比如 ， inode 数量不够时 ， 我们是怎么得知的呢？是不是需要在 inode 位图中找 ， 找不到了才知道不够用了？
同样 ， 对于块数量不够时 ， 也是如此 。
要是有个全局的地方 ， 来记录这一切 ， 就好了 ， 也方便随时调整 ， 比如这样
inode 数量
空闲 inode 数量
块数量
空闲块数量
那我们就再占用一个块来存储这些数据吧！由于他们看起来像是站在上帝视角来描述这个文件系统的 ， 所以我们把它放在最开始的块上 ， 并把它叫做超级块 ， 现在的布局如下 。
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我们继续精益求精 。
现在 ， 块位图、inode 位图、inode 表 ， 都是是固定地占据这块 1、块 2、块 3 这三个位置 。
假如之后 inode 的数量很多 ， 使得 inode 表或者 inode 位图需要占据多个块 ， 怎么办？
或者 ， 块的数量增多（硬盘本身大了 ， 或者每个块变小了） ， 块位图需要占据多个块 ， 怎么办？
程序是死的 ， 你不告诉它哪个块表示什么 ， 它可不会自己猜 。
很简单 ， 与超级块记录信息一样 ， 这些信息也选择一个块来记录 ， 就不怕了 。 那我们就选择紧跟在超级块后面的 1 号块来记录这些信息吧 ， 并把它称之为块描述符 。
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当然 ， 这些所在块号只是记录起始块号 ， 块位图、inode 位图、inode 表分别都可以占用多个块 。
好了 ， 大功告成！
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现在 ， 我们再尝试存入一批文件 。
葵花宝典.txt
高量期末复习资料.mp4
赘婿1.mp4
赘婿2.mp4
赘婿3.mp4
赘婿4.mp4
中科院物理所的秘密.pdf
诶？这看着好不爽 ， 所有的文件都是平铺开的 ， 能不能拥有层级关系呢？比如这样
葵花宝典.txt
高量期末复习资料.mp4
赘婿
赘婿1.mp4
赘婿2.mp4
赘婿3.mp4
赘婿4.mp4
中科院物理所的秘密.pdf
我们将葵花宝典.txt 这种称为普通文件 ， 将赘婿这种称为目录文件 ， 如果要访问赘婿1.mp4 ， 那全文件名要写成
赘婿/赘婿1.mp4 。
如何做到这一点呢？那我们又得把 inode 结构拿出来说事了 。
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此时需要一个属性来区分这个文件是普通文件 ， 还是目录文件 。
缺什么就补什么嘛 ， 我们已经很熟悉了 ， 专门加一个 4 字节 ， 来表示文件类型 。
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如果是普通文件 ， 则这个 inode 所指向的数据块仍然和之前一样 ， 就是文件本身原封不动的内容 。
但如果是目录文件 ， 则这个 inode 所指向的数据块 ， 就需要重新规划了 。
这个数据块里应该是什么样子呢？可以是一个一个指向不同 inode 的紧挨着的结构体 ， 比如这样 。
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这样先通过 赘婿 这个目录文件 ， 找到所在的数据块 。 再根据这个数据块里的一个个带有 inode 信息的结构体 ， 找到这个目录下的所有文件 。
完美！
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不过这样的话 ， 你想想看 ， 如果想要查看一下赘婿这个目录下的所有文件（比如 ll 命令） ， 将文件名和文件类型都展示出来 ， 怎么办呢？
就需要把一个个结构体指向的 inode 从 inode 表中取出 ， 再把文件名和文件类型取出 ， 这很是浪费时间 。
而让用户看到一个目录下的所有文件 ， 又是一个极其常见的操作 。
所以 ， 不如把文件名和文件类型这种常见的信息 ， 放在数据块中的结构体里吧 。
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同时 ， inode 结构中的文件名 ， 好像就没啥用了 ， 这种变长的东西放在这种定长的结构中本身就很讨厌 ， 早就想给它去掉了 。 而且还能给其他信息省下空间 ， 比如文件所在块的数组 ， 就能再多几个了 。
太好了 ， 去掉它！
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OK ， 大功告成 ， 现在我们就可以给文件分门别类放进不同目录下了 ， 还可以在目录下创建目录 ， 无限套娃！
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现在的文件系统 ， 已经比较完善了 ， 只是还有一点不太爽 。
我们访问到一个目录下 ， 可以很舒服地看到目录里的文件 ， 然后再根据名称访问这个目录下的文件或者目录 ， 整个过程都是一个套路 。
但是 ， 最上层的目录下的所有文件 ， 即根目录 ， 现在仍然需要通过遍历所有的 inode 来获得 ， 能不能和上面的套路统一呢？
答案非常简单 ， 我们规定 ， inode 表中的 0 号 inode ， 就表示根目录 ， 一切的访问 ， 就从这个根目录开始！
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好了 ， 这回没有然后了！
我们最后来欣赏下我们的文件系统架构 。
【位图|你管这破玩意叫文件系统？】
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你是不是觉得这没啥了不起的 。
但这个破玩意 ， 它就叫文件系统
完~
来源：低并发编程
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编辑：Eric
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