Linux以inode的方式，讓數(shù)據(jù)形成文件

Linux文件管理從用戶的層面介紹了Linux管理文件的方式。Linux有一個樹狀結(jié)構(gòu)來組織文件。樹的頂端為根目錄(/)，節(jié)點為目錄，而末端的葉子為包含數(shù)據(jù)的文件。當(dāng)我們給出一個文件的完整路徑時，我們從根目錄出發(fā)，經(jīng)過沿途各個目錄，最終到達(dá)文件。

我們可以對文件進行許多操作，比如打開和讀寫。在Linux文件管理相關(guān)命令中，我們看到許多對文件進行操作的命令。它們大都基于對文件的打開和讀寫操作。比如cat可以打開文件，讀取數(shù)據(jù)，最后在終端顯示：

$cat test.txt

對于Linux下的程序員來說，了解文件系統(tǒng)的底層組織方式，是深入進行系統(tǒng)編程所必備的。即使是普通的Linux用戶，也可以根據(jù)相關(guān)的內(nèi)容，設(shè)計出更好的系統(tǒng)維護方案。

存儲設(shè)備分區(qū)

文件系統(tǒng)的最終目的是把大量數(shù)據(jù)有組織的放入持久性(persistant)的存儲設(shè)備中，比如硬盤和磁盤。這些存儲設(shè)備與內(nèi)存不同。它們的存儲能力具有持久性，不會因為斷電而消失；存儲量大，但讀取速度慢。

觀察常見存儲設(shè)備。最開始的區(qū)域是MBR，用于Linux開機啟動(參考Linux開機啟動)。剩余的空間可能分成數(shù)個分區(qū)(partition)。每個分區(qū)有一個相關(guān)的分區(qū)表(Partition table)，記錄分區(qū)的相關(guān)信息。這個分區(qū)表是儲存在分區(qū)之外的。分區(qū)表說明了對應(yīng)分區(qū)的起始位置和分區(qū)的大小。

我們在Windows系統(tǒng)常?？吹紺分區(qū)、D分區(qū)等。Linux系統(tǒng)下也可以有多個分區(qū)，但都被掛載在同一個文件系統(tǒng)樹上。

數(shù)據(jù)被存入到某個分區(qū)中。一個典型的Linux分區(qū)(partition)包含有下面各個部分:

分區(qū)的第一個部分是啟動區(qū)(Boot block)，它主要是為計算機開機服務(wù)的。Linux開機啟動后，會首先載入MBR，隨后MBR從某個硬盤的啟動區(qū)加載程序。該程序負(fù)責(zé)進一步的操作系統(tǒng)的加載和啟動。為了方便管理，即使某個分區(qū)中沒有安裝操作系統(tǒng)，Linux也會在該分區(qū)預(yù)留啟動區(qū)。

啟動區(qū)之后的是超級區(qū)(Super block)。它存儲有文件系統(tǒng)的相關(guān)信息，包括文件系統(tǒng)的類型，inode的數(shù)目，數(shù)據(jù)塊的數(shù)目。

隨后是多個inodes，它們是實現(xiàn)文件存儲的關(guān)鍵。在Linux系統(tǒng)中，一個文件可以分成幾個數(shù)據(jù)塊存儲，就好像是分散在各地的龍珠一樣。為了順利的收集齊龍珠，我們需要一個“雷達(dá)”的指引：該文件對應(yīng)的inode。每個文件對應(yīng)一個inode。這個inode中包含多個指針，指向?qū)儆谠撐募鱾€數(shù)據(jù)塊。當(dāng)操作系統(tǒng)需要讀取文件時，只需要對應(yīng)inode的”地圖”，收集起分散的數(shù)據(jù)塊，就可以收獲我們的文件了。

最后一部分，就是真正儲存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊們(data blocks)了。

inode簡介

上面我們看到了存儲設(shè)備的宏觀結(jié)構(gòu)。我們要深入到分區(qū)的結(jié)構(gòu)，特別是文件在分區(qū)中的存儲方式。

文件是文件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分割單元。文件系統(tǒng)用目錄來組織文件，賦予文件以上下分級的結(jié)構(gòu)。在硬盤上實現(xiàn)這一分級結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，是使用inode來虛擬普通文件和目錄文件對象。

在Linux文件管理中，我們知道，一個文件除了自身的數(shù)據(jù)之外，還有一個附屬信息，即文件的元數(shù)據(jù)(metadata)。這個元數(shù)據(jù)用于記錄文件的許多信息，比如文件大小，擁有人，所屬的組，修改日期等等。元數(shù)據(jù)并不包含在文件的數(shù)據(jù)中，而是由操作系統(tǒng)維護的。事實上，這個所謂的元數(shù)據(jù)就包含在inode中。我們可以用$ls -l filename來查看這些元數(shù)據(jù)。正如我們上面看到的，inode所占據(jù)的區(qū)域與數(shù)據(jù)塊的區(qū)域不同。每個inode有一個唯一的整數(shù)編號(inode number)表示。

在保存元數(shù)據(jù)，inode是“文件”從抽象到具體的關(guān)鍵。正如上一節(jié)中提到的，inode儲存由一些指針，這些指針指向存儲設(shè)備中的一些數(shù)據(jù)塊，文件的內(nèi)容就儲存在這些數(shù)據(jù)塊中。當(dāng)Linux想要打開一個文件時，只需要找到文件對應(yīng)的inode，然后沿著指針，將所有的數(shù)據(jù)塊收集起來，就可以在內(nèi)存中組成一個文件的數(shù)據(jù)了。

數(shù)據(jù)塊在1, 32, 0, …

inode并不是組織文件的唯一方式。最簡單的組織文件的方法，是把文件依次順序的放入存儲設(shè)備，DVD就采取了類似的方式。但如果有刪除操作，刪除造成的空余空間夾雜在正常文件之間，很難利用和管理。

復(fù)雜的方式可以使用鏈表，每個數(shù)據(jù)塊都有一個指針，指向?qū)儆谕晃募南乱粋€數(shù)據(jù)塊。這樣的好處是可以利用零散的空余空間，壞處是對文件的操作必須按照線性方式進行。如果想隨機存取，那么必須遍歷鏈表，直到目標(biāo)位置。由于這一遍歷不是在內(nèi)存進行，所以速度很慢。

FAT系統(tǒng)是將上面鏈表的指針取出，放入到內(nèi)存的一個數(shù)組中。這樣，F(xiàn)AT可以根據(jù)內(nèi)存的索引，迅速的找到一個文件。這樣做的主要問題是，索引數(shù)組的大小與數(shù)據(jù)塊的總數(shù)相同。因此，存儲設(shè)備很大的話，這個索引數(shù)組會比較大。

inode既可以充分利用空間，在內(nèi)存占據(jù)空間不與存儲設(shè)備相關(guān)，解決了上面的問題。但inode也有自己的問題。每個inode能夠存儲的數(shù)據(jù)塊指針總數(shù)是固定的。如果一個文件需要的數(shù)據(jù)塊超過這一總數(shù)，inode需要額外的空間來存儲多出來的指針。

inode示例

在Linux中，我們通過解析路徑，根據(jù)沿途的目錄文件來找到某個文件。目錄中的條目除了所包含的文件名，還有對應(yīng)的inode編號。當(dāng)我們輸入$cat /var/test.txt時，Linux將在根目錄文件中找到var這個目錄文件的inode編號，然后根據(jù)inode合成var的數(shù)據(jù)。隨后，根據(jù)var中的記錄，找到text.txt的inode編號，沿著inode中的指針，收集數(shù)據(jù)塊，合成text.txt的數(shù)據(jù)。整個過程中，我們參考了三個inode：根目錄文件，var目錄文件，text.txt文件的inodes。

在Linux下，可以使用$stat filename，來查詢某個文件對應(yīng)的inode編號。

在存儲設(shè)備中實際上存儲為：

當(dāng)我們讀取一個文件時，實際上是在目錄中找到了這個文件的inode編號，然后根據(jù)inode的指針，把數(shù)據(jù)塊組合起來，放入內(nèi)存供進一步的處理。當(dāng)我們寫入一個文件時，是分配一個空白inode給該文件，將其inode編號記入該文件所屬的目錄，然后選取空白的數(shù)據(jù)塊，讓inode的指針指像這些數(shù)據(jù)塊，并放入內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。

文件共享

在Linux的進程中，當(dāng)我們打開一個文件時，返回的是一個文件描述符。這個文件描述符是一個數(shù)組的下標(biāo)，對應(yīng)數(shù)組元素為一個指針。有趣的是，這個指針并沒有直接指向文件的inode，而是指向了一個文件表格，再通過該表格，指向加載到內(nèi)存中的目標(biāo)文件的inode。如下圖，一個進程打開了兩個文件。

可以看到，每個文件表格中記錄了文件打開的狀態(tài)(status flags)，比如只讀，寫入等，還記錄了每個文件的當(dāng)前讀寫位置(offset)。當(dāng)有兩個進程打開同一個文件時，可以有兩個文件表格，每個文件表格對應(yīng)的打開狀態(tài)和當(dāng)前位置不同，從而支持一些文件共享的操作，比如同時讀取。

要注意的是進程fork之后的情況，子進程將只復(fù)制文件描述符的數(shù)組，而和父進程共享內(nèi)核維護的文件表格和inode。此時要特別小心程序的編寫。

總結(jié)

這里概括性的總結(jié)了Linux的文件系統(tǒng)。Linux以inode的方式，讓數(shù)據(jù)形成文件。