40.1 思考方式

文件系统两个重要方面：

• 文件系统的数据结构。
• 访问方法。

40.2 整体组织

文件系统必须记录每个文件的元数据的关键部分，并且记录诸如文件包含哪些数据块、文件大小，其所有者和访问权限、访问和修改时间等。文件的inode结构用于存储这些信息。

为了存放inode，还需要在磁盘上留出一些空间inode表，只是保存了一个磁盘上的inode的数组。
位图(bitmap)，用于记录分配。一种用于数据区域，另一种用于inode表。每个位用于指示相应的对象/块是空闲(0)还是正在使用(1)。

包含位图的文件系统如下：

此时还留有一块，保留给超级块。超级块包含该特定文件系统的信息，包括例如文件系统中有多少inode和数据块(此例中为80和56)、inode表开始位置(块3)。

在挂载文件系统时，OS首先读取超级块，初始化各种参数，然后将该卷添加到文件系统树中。所以挂载后超级块是在内存中的。

40.3 文件组织：inode

inode是index node(索引节点)的缩写。每个inode都由一个数字隐式引用。

文件中除了纯粹的用户数据外，其他任何信息通常都成为元数据。

多级索引

为了支持更大的文件，必须在inode中引入不同的结构，使用间接指针，指向包含更多指针的块，每个指针指向用户数据。所以如果inode可以有一些固定数量的直接指针和一个间接指针。如果文件变得足够大，则会分配一个间接块(来自磁盘的数据块区域)，并将inode的间接指针设置为指向它。

40.4 目录组织

一个目录只包含一个二元组(条目名称，inode号)的列表。对于给定目录中的每个文件或目录，目录的数据块中都有一个字符串和一个数字。对于每个字符串，可能还有一个长度。

40.5 空闲空间管理

当创建一个文件时，必须为该文件分配一个inode。文件系统通过位图搜索一个空闲的内容，并分配给该文件，然后标记为已使用1。

Linux文件系统在创建新文件并需要数据块的时候，会寻找一系列空闲块，并分配给文件；所以文件系统保证文件的一部分将在磁盘上并且是连续的。

40.6 访问路径：读取和写入

从磁盘读取文件

当发出一个open("/foo/bar",O_RDONLY)调用时，文件系统遍历路径名。从而找到需要的bar的inode。

所有遍历都从文件系统的根目录开始，记作/。所以文件系统第一次磁盘读取是根目录的inode。要找到inode必须知道i-number，通常在其父目录中。根目录没有父目录，所以根的inode号为2，这是挂载文件系统时就规定好的。所以开始遍历过程时，文件系统会读入inode号为2的块(第一个inode块)。

当inode被读入，文件系统在其中查找指向数据块的指针，数据块包含根目录内容，在其中寻找foo的条目。最终找到时，即确定了下一个需要的foo的inode号。

后面便是递归遍历路径名，直到找到所需的inode。open()的最后一步就是将bar的inode读入内存，文件系统进行最后的权限检查，在每个进程的打开文件表中，为此进程分配一个文件描述符，并将它返回给用户。

open导致的I/O量与路径名成正比。对于路径中每个增加的目录，都必须读取它的inode和数据

整个过程的流程图如下。打开文件导致了多次读取，以便最终获得文件的inode。之后读取每个块需要文件系统首先查询inode，然后读取该块，再使用写入更新inode的最后访问时间字段。

写入磁盘

写入文件可能会分配一个块。当写入一个新文件时，每次写入操作需要首先决定将哪个块分配给文件，从而更新磁盘的其他结构(如数据位图和inode)。

因此每次写入文件在逻辑上会导致5个I/O:

• 一个读取数据位图(然后更新以标记新分配的块被使用)
• 一个写入位图(将它的新状态存入磁盘)
• 两次读取
• 写入inode(用新块的位置更新)
• 写入真正的数据块本身

40.7 缓存和缓冲

为了弥补读取和写入文件的代价，大多数文件系统使用系统内存来缓存重要的块。

延迟写入也可以显著提升性能。