本文转载自微信公众号「Linux内核那些事」，作者songsong001 。转载本文请联系Linux内核那些事公众号。
之前我写过有关 Linux 文件系统源码分析的文章，但从源码角度分析文件系统略显枯燥(对新手不友好)，所以这次主要通过图文的方式来讲解 Linux 文件系统的原理，而不用陷入源代码的深渊之中。
一、硬盘简介
在介绍文件系统前，我们先来了解一下 硬盘。
众所周知，内存在断电后数据就会丢失，所以现代计算机都通过 硬盘 来进行数据存储。也就是说，硬盘中的数据在断电后依然能够保存下来。
现在比较流行的硬盘分为：机械硬盘(HDD) 和 固态硬盘(SSD)。由于本文重点介绍的对象是 文件系统，所以对于硬盘的原理就不进行过多的介绍。下面是 机械硬盘 和 固态硬盘 的对照图：
我们可以把硬盘想象成一个巨大的数组，而数组的每个元素代表一个数据块，如下图：
在 Linux 内核中，每个数据块定义为 4KB 的大小，所以一个 128GB 的硬盘可以分为 33554432 个数据块，内核就是以数据块的编号来对硬盘进行读写操作的。
二、什么是文件系统
前面说过，内核是以数据块的形式来对硬盘进行读写的，但是这对人类来说是非常不直观的，因为我们不可能记住每一个数据块保存了什么数据。
为了让用户在使用上更方便和直观，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：用于保存数据。
目录：用于保存文件列表，当然目录也可以保存目录。
由于数据是保存在硬盘数据块中，所以文件只需要记录哪些数据块属于当前文件即可。如下图所示：
从上图可以看出，目录中既可以保存文件，也可以保存目录。而文件中保存的是属于当前文件的数据块编号，所以当读写文件时，只需要找到文件对应的数据块进行读写即可。
三、MINIX 文件系统实现
现在，我们以 MINIX 文件系统来详细介绍文件系统的设计原理。由于 MINIX 文件系统非常简单，所以适合用于教学使用。
1. MINIX 文件与目录
在 MINIX 文件系统中，以 minix2_inode 对象来描述一个文件。我们来看看 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]; // 文件数对应的数据块编号
- };
我们需要特别关注 minix2_inode 对象的 i_zone 字段，它就是用来记录属于当前文件的数据块编号。从定义来看，i_zone 是一个用于 10 个元素的整型数组，那么是否就说明 MINIX 的文件只能保存 40 KB 的数据呢?
答案是否定的，因为 MINIX 文件系统将 i_zone 数组分为 4 个部分：前 7 个元素直接指向保存数据的数据块编号，也就是数据会直接存储在这些数据块上，而第 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。我们通过下图来说明这个关系：
通过这种多级指向的方式，一个 MINIX 文件就可以保存超过 40KB 的数据。
有描述文件的对象，那么也应该有描述目录的对象吧?在 MINIX 文件系统中，目录也是使用 minix2_inode 对象来描述的。那么怎么区分文件和目录呢?
在 minix2_inode 对象中有个 名为i_mode 的字段，它保存着 minix2_inode 对应的类型，普通文件使用 S_IFREG 标志来表示，而目录使用 S_IFDIR 来表示。所以从本质来看，目录也是一种特殊的文件。
普通文件的数据块保存的是文件的数据，那么目录的数据块保存的是什么?答案就是文件列表，而文件列表的每个表项使用 minix_dir_entry 对象表示，定义如下：
- struct minix_dir_entry {
- __u16 inode;
- char name[0];
- };
inode：当前文件对应的 minix2_inode 对象所处于 inode 数组的索引，我们暂时可以忽略此字段的作用，下面将会介绍。
name：用于记录当前文件的文件名，由于文件名的长度是不固定的，所以这里使用了柔性数组(大小可变的数据)来表示。
我们通过下图来展示文件与目录所指向的数据内容的区别：
上图展示了文件与目录两个明显的区别：
- 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 字段指向的数据块保存的是文件的数据，而目录的 i_zone 字段指向的数据块保存的是文件列表。
2. MINIX 文件系统格式化
现在，我们基本了解 MINIX 文件系统对文件与目录的存储方式了，接下来我们将会介绍 MINIX 文件系统怎么管理硬盘中的文件和目录，也就是我们常说的 格式化。
前面说过，我们可以把硬盘当成一个由数据块组成的巨大数组，那么 MINIX 文件系统会把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说：
- 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。
上图就是 MINIX 文件系统在硬盘中的格式化结构，我们先来看看 超级块 记录的信息有哪些，超级块是由 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 文件系统是怎么准确地查找到文件并且读取其中的内容呢?下面我们进行分步来描述这个过程。
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。从上图可以看出，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，然后再从 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。
另外说明一下，inode位图 和 数据块位图 用于创建文件时，快速查找哪些 inode节点 和 数据块 没有被使用的。
四、总结
本文通过 MINIX 这种简单的文件系统来介绍怎么设计一个文件系统，虽然 Linux 系统有多种文件系统，但其基本思想都是怎么有效地管理硬盘的数据。所以，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。
