文件系统概览

对于运行的进程来说，内存就像一个纸箱子，仅仅是一个暂存数据的地方，而且空间有限。如果我们想要进程结束之后，数据依然能够保存下来，就不能只保存在内存里，而是应该保存在外部存储中。就像图书馆这种地方，不仅空间大，而且能够永久保存。

我们最常用的外部存储就是硬盘，数据是以文件的形式保存在硬盘上的。为了管理这些文件，我们在规划文件系统的时候，需要考虑到以下几点。

  • 第一点，文件系统要有严格的组织形式，使得文件能够以块为单位进行存储。这就像图书馆里，我们会给设置一排排书架，然后再把书架分成一个个小格子，有的项目存放的资料非常多，一个格子放不下，就需要多个格子来进行存放。我们把这个区域称为存放原始资料的仓库区。

  • 第二点，文件系统中也要有索引区，用来方便查找一个文件分成的多个块都存放在了什么位置。这就好比，图书馆的书太多了，为了方便查找，我们需要专门设置一排书架，这里面会写清楚整个档案库有哪些资料，资料在哪个架子的哪个格子上。这样找资料的时候就不用跑遍整个档案库，在这个书架上找到后，直奔目标书架就可以了。

  • 第三点，如果文件系统中有的文件是热点文件，近期经常被读取和写入，文件系统应该有缓存层。这就相当于图书馆里面的热门图书区，这里面的书都是畅销书或者是常常被借还的图书。因为借还的次数比较多，那就没必要每次有人还了之后，还放回遥远的货架，我们可以专门开辟一个区域，放置这些借还频次高的图书。这样借还的效率就会提高。

  • 第四点，文件应该用文件夹的形式组织起来，方便管理和查询。这就像在图书馆里面，你可以给这些资料分门别类，比如分成计算机类、文学类、历史类等等。这样你也容易管理，项目组借阅的时候只要在某个类别中去找就可以了。

在文件系统中，每个文件都有一个名字，这样我们访问一个文件，希望通过它的名字就可以找到。文件名就是一个普通的文本。当然文件名会经常冲突，不同用户取相同的名字的情况还是会经常出现的。

要想把很多的文件有序地组织起来，我们就需要把它们成为目录或者文件夹。这样，一个文件夹里可以包含文件夹，也可以包含文件，这样就形成了一种树形结构。而我们可以将不同的用户放在不同的用户目录下，就可以一定程度上避免了命名的冲突问题。

  • 第五点，windows、Linux 内核要在自己的内存里面维护一套数据结构，来保存哪些文件被哪些进程打开和使用。这就好比，图书馆里会有个图书管理系统，记录哪些书被借阅了，被谁借阅了，借阅了多久，什么时候归还。

文件系统的基本组成

文件系统是操作系统中负责管理持久数据的子系统，说简单点，就是负责把用户的文件存到磁盘硬件中，因为即使计算机断电了，磁盘里的数据并不会丢失，所以可以持久化的保存文件。

文件系统的基本数据单位是文件，它的目的是对磁盘上的文件进行组织管理，那组织的方式不同，就会形成不同的文件系统。

Linux 最经典的一句话是：「一切皆文件」，不仅普通的文件和目录，就连硬件设备、网络socket等，也都是统一交给文件系统管理的。就是一切东西在操作系统里都有一个相应的文件对应他，你操作这个文件就等于操作这个设备。

Linux 文件系统会为每个文件分配两个数据结构：索引节点（index node）和目录项（directory entry），它们主要用来记录文件的元信息和目录层次结构。

  • 索引节点，也就是 inode，用来记录文件的元信息，比如 inode 编号、文件大小、访问权限、创建时间、修改时间、数据在磁盘的位置等等。索引节点是文件的唯一标识，它们之间一一对应，也同样都会被存储在硬盘中，所以索引节点同样占用磁盘空间。索引节点可以看成一本书的目录，你可以通过目录（inode）找到章节所对应的页码(数据的实际存放位置)

  • 目录项，也就是 dentry，用来记录文件的名字、索引节点以及与其他目录项的层级关联关系。多个目录项关联起来，就会形成目录结构，但它与索引节点不同的是，目录项是由内核维护的一个数据结构，不存放于磁盘，而是缓存在内存。用户视角的目录就会对应一个目录项，这个目录项记录了目录的名字，他的inode,以及这个目录有有哪些文件和目录。

  • 数据块，实际存放数据的地方，有些文件很大，所以可能有多个数据存放此文件，数据块之间会自动连接起来。

由于索引节点唯一标识一个文件，而目录项记录着文件的名，所以目录项和索引节点的关系是多对一，也就是说，一个文件可以有多个别字。比如，硬链接的实现就是多个目录项中的索引节点指向同一个文件。

注意，目录也是文件，也是用索引节点唯一标识，和普通文件不同的是，普通文件在磁盘里面保存的是文件数据，而目录文件在磁盘里面保存子目录或文件。

VFS虚拟文件系统

文件系统的种类众多，而操作系统希望对用户提供一个统一的接口，于是在用户层与文件系统层引入了中间层，这个中间层就称为虚拟文件系统（Virtual File System，VFS）。

VFS 定义了一组所有文件系统都支持的数据结构和标准接口，这样程序员不需要了解文件系统的工作原理，只需要了解 VFS 提供的统一接口即可。

在 Linux 文件系统中，用户空间、系统调用、虚拟机文件系统、缓存、文件系统以及存储之间的关系如下图：

Linux 支持的文件系统也不少，根据存储位置的不同，可以把文件系统分为三类：

  • 磁盘的文件系统，它是直接把数据存储在磁盘中，比如 Ext 2/3/4、XFS 等都是这类文件系统。
  • 内存的文件系统，这类文件系统的数据不是存储在硬盘的，而是占用内存空间，我们经常用到的 /proc 和 /sys 文件系统都属于这一类，读写这类文件，实际上是读写内核中相关的数据数据。
  • 网络的文件系统，用来访问其他计算机主机数据的文件系统，比如 NFS、SMB 等等。

文件系统首先要先挂载到某个目录才可以正常使用，比如 Linux 系统在启动时，会把文件系统挂载到根目录。

*你可以把虚拟文件系统当成公司的前台，你要与公司的任何人员（各种文件系统ext3、zfs等）对接，都直接和前台对接就行了，前台再和具体的人员对接。
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因为有vsf,所以linux才能支持这么多的文件系统，而windows只能支持一两种。

总结

  • linux文件系统，例如ext3是由目录项、inode、数据块组成，目录项存放了目录的名字以及指向的inode,inode指向具体的数据块，假如你有一个user目录，此目录下有test1、test2两个文件，现在我们打开user目录，操作系统会显示这两个文件，原理是操作系统会先找到user的目录项，通过此目录项找到对应的索引节点，然后就可以找到实际的数据块，这个数据块中就存放了test1、test2两个文件的名字，如果你现在要读取test1这个文件，则操作系统会找到test1对应的目录项，依次找到inode、数据块就可以读取了。
  • linux之所以能支持很多的文件系统，原因在于有vfs这个虚拟文件系统，他抽象了文件系统的接口，由vfs去对接这些复杂的文件系统。

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