文件放到磁盘以后，需要有人把这些东西管理起来。

比如：

• 哪些 Block 已经被使用了？
• 哪些 Block 还是空闲的？
• 一个文件对应哪个 inode？
• inode 又是怎么找到文件内容的？

这些问题最终都要靠文件系统来解决。

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一、为什么需要文件系统？

我们可以把磁盘简单理解成很多个 Block。

但是如果这些 Block 就这么直接堆在一起，操作系统根本不知道每一个 Block 是干什么的。

比如创建一个文件，总得先找到一个空闲的 inode，再找到一些空闲的数据块；以后访问这个文件的时候，还得知道数据到底放在哪里。

所以，磁盘上的这些数据不能只是简单地存起来，还必须按照一定的规则组织起来。

这个负责组织和管理磁盘文件的东西，就是文件系统。

Linux 中常见的 Ext 系列文件系统有：

ext2
ext3
ext4

它们之间虽然有发展和增强，但整体的核心设计还是比较接近的，所以这里主要拿 ext2 来理解整个文件系统的基本结构。

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二、Ext2的整体结构

Ext2 不会把整个分区直接作为一个整体来管理，而是会把一个分区划分成很多个大小相同的：

Block Group，也就是块组。

整体结构可以先简单理解成：

一个分区
    ↓
多个 Block Group

这样做以后，就可以把一个比较大的分区分成很多个区域分别管理。

另外，在 Ext2 文件系统前面还有一个启动块，也叫 Boot Block / Sector。

它的大小是固定的 1KB，主要用来保存磁盘分区信息和启动信息。启动块之后，才真正进入 Ext2 文件系统的区域。

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三、Block Group里面有什么？

知道了一个分区会被划分成很多个 Block Group，接下来就要看看：

一个 Block Group 里面到底放了些什么？

主要可以分成下面几个部分：

Super Block
GDT
Block Bitmap
Inode Bitmap
Inode Table
Data Blocks

每一部分负责的事情都不一样。

只要把这几个结构搞明白，Ext2 的整体框架基本也就清楚了。

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四、Super Block：保存整个文件系统的信息

首先是：

Super Block（超级块）

它主要保存整个文件系统的结构信息。

比如：

Block 总数
Inode 总数
空闲 Block 数量
空闲 Inode 数量
Block 大小
Inode 大小
最近一次挂载时间
最近一次写入时间
最近一次检查磁盘时间

这些信息描述的是整个文件系统，而不是某一个具体文件。

所以我在理解的时候，会把 Super Block 想成一个“总说明书”。

比如系统需要知道：

这个分区有多少 Block？

还有多少 inode 可以使用？

一个 Block 到底多大？

都可以从 Super Block 中找到相关信息。

Super Block 这么重要，所以一般不会只保存一份。它会在多个 Block Group 中保存副本，用来提高文件系统的可靠性。第一个块组一定存在，后面的块组可以根据情况决定是否保存。

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五、GDT：描述每个Block Group

接下来是：

GDT（Group Descriptor Table）

也就是块组描述符表。

既然整个分区有很多 Block Group，那系统还得知道：

每个 Block Group 的具体情况怎么样？

这就是 GDT 负责的事情。

一个块组描述符里面会记录类似这样的信息：

Block Bitmap 在哪里
Inode Bitmap 在哪里
Inode Table 在哪里
空闲 Block 有多少
空闲 Inode 有多少
目录有多少

所以可以简单记成：

Super Block
    ↓
描述整个文件系统

GDT
    ↓
描述具体的 Block Group

两者管理的范围是不一样的。

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六、Block Bitmap：记录哪些Block已经被使用

再往下就是：

Block Bitmap

这个东西的功能其实很好理解，就是记录 Data Block 的使用情况。

也就是：

这个 Block 有没有被占用？

可以用一个 bit 来表示一个 Block 的状态。

例如简单理解成：

0 -> 空闲
1 -> 已使用

这样就可以用很少的空间记录大量 Block 的使用情况。

所以以后创建文件的时候，系统就可以通过 Block Bitmap 去寻找空闲的数据块。

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七、Inode Bitmap：记录哪些inode可以使用

Block 有自己的 Bitmap，inode 当然也一样。

对应的就是：

Inode Bitmap

它负责记录 inode 的使用情况。

同样可以理解成：

0 -> inode 空闲
1 -> inode 已使用

一个 bit 对应一个 inode，用来表示这个 inode 是否还可以分配。

所以这两个 Bitmap 可以直接对应起来理解：

Block Bitmap
    ↓
管理 Block

Inode Bitmap
    ↓
管理 inode

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八、Inode Table：真正存放inode

前面 Inode Bitmap 只是告诉我们：

哪些 inode 在使用，哪些 inode 空闲。

真正保存 inode 内容的地方，是：

Inode Table。

这里面存放着一个个 inode。

比如：

文件大小
所有者
权限
时间信息
硬链接数
数据块映射信息

这些和文件属性有关的信息都会保存在 inode 中。

这里还有一个需要记住的地方：

inode 编号是以分区为单位划分的，不能跨分区。

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九、Data Block：真正保存文件内容

最后就是：

Data Block

这个地方保存真正的数据。

对于普通文件来说：

Data Block
    ↓
文件内容

比如一个文本文件里面写了一大段字符串，这些真正的数据最终就是放在 Data Block 里的。

但是目录有一点特殊。

目录其实也是文件，它自己的 Data Block 里面保存的是：

文件名
+
inode号

也就是说，目录主要负责建立：

文件名 -> inode

这样的对应关系。

而文件的权限、所有者等其他属性，还是放在 inode 里面。

所以这时候有一个很重要的认识：

目录其实也是一种文件。

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十、inode怎么找到数据块？

现在已经知道 inode 和 Data Block 分别是什么了。

但还有一个关键问题：

inode 怎么知道自己的文件内容到底存在哪些 Block？

这个信息就记录在 inode 的：

__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];

里面。

这里：

EXT2_N_BLOCKS = 15

这些信息用来完成 inode 和数据块之间的映射。

也就是说：

inode
   ↓
找到对应的数据块
   ↓
找到真正的文件内容

这样一来，一个文件的两部分就都能找到了：

文件
├── inode
│   └── 保存属性
│
└── Data Block
    └── 保存内容

所以以前我容易把文件理解成“一堆数据”，现在感觉这种理解还是有点太简单了。

更准确一点应该是：

文件的属性和文件的内容是分开保存的。

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十一、创建一个新文件，到底发生了什么？

这个地方我觉得特别值得理解，因为前面的各种结构一下就能串起来了。

假设我们执行：

touch abc

然后：

ls -i abc

可以看到这个文件对应的 inode 号。

那么创建 abc 的时候，系统大概需要完成下面四件事情。

1. 给文件找一个inode

首先找到一个空闲 inode。

然后把文件的属性写进去。

比如文件大小、权限、时间等。

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2. 给文件找数据块

如果文件里面有数据，那么还需要找到空闲的 Data Block。

文件数据被放到了：

300
500
800

这三个 Block 中。

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3. 把Block的对应关系记录下来

文件现在知道自己的内容放在：

300
500
800

这几个块里。

那系统就需要把这个对应关系记录到 inode 中。

这样以后通过 inode，就能够继续找到真正的数据。

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4. 在目录中记录文件名

到这里其实还差最后一步。

我们平时访问文件的时候输入的是：

abc

而不是 inode 号。

所以目录里面还需要建立：

abc
 ↓
263466

这样的映射。

也就是：

文件名 -> inode号

这样文件名、inode 和文件内容之间才真正联系起来。

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十二、重新理解“文件名”和“inode”

这一点是我这部分学习过程中比较容易搞混的地方。

以前我会觉得：

abc

就是这个文件。

但是从文件系统的角度来看，实际上并不是这样。

真正保存文件属性和数据块映射的是 inode，而文件名并不直接放在 inode 结构中。

所以可以把它理解成：

目录
  ↓
文件名
  ↓
inode
  ↓
文件属性 + 数据块映射
  ↓
Data Block
  ↓
文件内容

这样整个关系就顺起来了。

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十三、这一篇的总结

学完 Ext2 之后，我觉得最重要的不是死记几个结构，而是把它们之间的关系真正串起来。

一个分区大致可以看成：

Partition
   ↓
多个 Block Group

一个 Block Group 里面又有：

Block Group
   ├── Super Block
   ├── GDT
   ├── Block Bitmap
   ├── Inode Bitmap
   ├── Inode Table
   └── Data Blocks

而访问一个具体文件时，可以继续往下：

文件名
   ↓
目录
   ↓
inode
   ↓
文件属性
   +
数据块映射
   ↓
Data Blocks
   ↓
真正的文件内容

这样一看，整个 Ext2 文件系统其实就是在做一件事情：

把磁盘上的各种资源组织起来，让操作系统能够快速找到文件，同时知道哪些资源已经使用、哪些资源还可以继续分配。

以前看到 inode、Block Bitmap、Super Block 这些名词的时候，感觉都是零散的知识点。

现在把它们放到一起之后，就能发现它们其实是一整套相互配合的结构。