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 我們無(wú)時(shí)無(wú)刻不在使用文件系統(tǒng)，進(jìn)行開(kāi)發(fā)的時(shí)候在使用文件系統(tǒng)，瀏覽網(wǎng)頁(yè)的時(shí)候在使用文件系統(tǒng)，玩手機(jī)的時(shí)候也在使用文件系統(tǒng)。

對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)，可能根本不知道文件系統(tǒng)為何物。因?yàn)椋ǔ?lái)說(shuō)，我們?cè)谑褂梦募到y(tǒng)的時(shí)候一般不會(huì)感知到文件系統(tǒng)的存在。即使對(duì)于程序開(kāi)發(fā)人員，很多人對(duì)于文件系統(tǒng)也是一知半解。

雖然文件系統(tǒng)經(jīng)常不被感知，但是文件系統(tǒng)卻是非常重要的。在Linux操作系統(tǒng)系統(tǒng)中文件系統(tǒng)是Linux內(nèi)核的四大子系統(tǒng)之一;而在Windows之前，微軟的DOS系統(tǒng)，其全稱(chēng)是DiskOperatingSystem，也就是磁盤(pán)管理系統(tǒng)，說(shuō)白了就是一個(gè)文件系統(tǒng)。

刨根問(wèn)底文件系統(tǒng)

想要更加深入的理解文件系統(tǒng)，首先要弄明白什么是文件系統(tǒng)。業(yè)界并沒(méi)有給文件系統(tǒng)下一個(gè)明確的定義，作者翻閱《操作系統(tǒng)概念》和《現(xiàn)代操作系統(tǒng)》等比較著名的操作系統(tǒng)書(shū)籍，并沒(méi)有找到關(guān)于文件系統(tǒng)的明確定義。在維基百科發(fā)現(xiàn)了對(duì)文件系統(tǒng)的如下描述：

In computing, a file system or filesystem (often abbreviated to fs) controls how data is stored and retrieved. 

另外一個(gè)對(duì)文件系統(tǒng)概念進(jìn)行描述的地方是Definitions，這是一個(gè)專(zhuān)業(yè)提供各種定義的網(wǎng)站，給出了如下解釋?zhuān)?/p>

In computing, a file system is a type of data store which can be used to store, retrieve and update a set of files. 

雖然我們沒(méi)有找到明確的定義，但從前面找到的對(duì)文件系統(tǒng)的描述可以知道文件系統(tǒng)是一個(gè)控制數(shù)據(jù)存取的系統(tǒng)。而通常我們所說(shuō)的文件系統(tǒng)是構(gòu)建在磁盤(pán)(含SSD盤(pán)和SD卡等)之上的。因此，我們通常所說(shuō)的文件系統(tǒng)其實(shí)就是一個(gè)對(duì)磁盤(pán)空間進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取的系統(tǒng)。

狹義的理解文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)磁盤(pán)、軟盤(pán)或者光盤(pán)等塊設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行存取，而廣義來(lái)說(shuō)，文件系統(tǒng)未必需要構(gòu)建在磁盤(pán)之上，它還可以構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)或者內(nèi)存之上。無(wú)論構(gòu)建在那種設(shè)備上，最為核心的是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取。

除了實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取之外，文件系統(tǒng)更重要的一個(gè)功能是文件系統(tǒng)抽象了一個(gè)更加容易訪問(wèn)存儲(chǔ)空間的接口。這里的接口包括用于程序開(kāi)發(fā)的API接口和普通用戶(hù)的操作接口。為了便于理解，我們可以將文件系統(tǒng)對(duì)磁盤(pán)空間的管理用圖1表示。

圖1 從磁盤(pán)到文件系統(tǒng)

對(duì)于上圖，我們簡(jiǎn)單的解釋一下。最底層是硬件設(shè)備，我們這里以硬磁盤(pán)為例。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和操作系統(tǒng)對(duì)硬磁盤(pán)做了很好的抽象，它們將復(fù)雜的硬磁盤(pán)抽象為一個(gè)連續(xù)的線性空間。最后是文件系統(tǒng)，將線性空間進(jìn)行管理和抽象，呈現(xiàn)給用戶(hù)一個(gè)層級(jí)結(jié)構(gòu)。這里的層級(jí)結(jié)構(gòu)就是我們平常看到的目錄，子目錄和文件等元素的集合，如圖2所示。

圖2 文件系統(tǒng)實(shí)例

通過(guò)上面這張圖可能并不能很清楚的了解文件系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)。我們給出Linux操作系統(tǒng)中文件系統(tǒng)的一個(gè)概圖，如圖3所示。通過(guò)該圖可以看出，文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)為一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)。各個(gè)目錄與子目錄之間呈層級(jí)的結(jié)構(gòu)。

圖3 樹(shù)形結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理

文件系統(tǒng)最核心的特性自然是數(shù)據(jù)管理了。這里的數(shù)據(jù)管理包括對(duì)整個(gè)磁盤(pán)的數(shù)據(jù)管理和對(duì)文件的數(shù)據(jù)管理兩部分。

對(duì)磁盤(pán)的管理主要是將磁盤(pán)劃分為不同的功能區(qū)，最為簡(jiǎn)單的畫(huà)法就是分為元數(shù)據(jù)區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)。實(shí)際文件系統(tǒng)的處理要復(fù)雜一些，以Ext2為例，其將磁盤(pán)空間劃分為等大小的塊組，然后再對(duì)每個(gè)塊組進(jìn)行管理。

圖4 Ext2磁盤(pán)空間管理

在一個(gè)塊組中，最基礎(chǔ)的信息包含數(shù)據(jù)位圖，inode表位圖，inode表和數(shù)據(jù)區(qū)。對(duì)于磁盤(pán)空間的管理其實(shí)就是通過(guò)位圖來(lái)管理的，位圖用來(lái)標(biāo)志某塊數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被使用的。當(dāng)然，不同的文件系統(tǒng)的管理略有不同，但原理大同小異。

另外一個(gè)比較重要的地方就是對(duì)文件數(shù)據(jù)的管理了。對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)文件就是一個(gè)線性的數(shù)據(jù)空間，好比一個(gè)大數(shù)組。但是磁盤(pán)上可能無(wú)法提供這么大的空間。因此文件系統(tǒng)在管理文件的時(shí)候是將文件切割為一定大小的邏輯塊的。這樣，文件系統(tǒng)的做法是將文件的邏輯塊與磁盤(pán)的物理塊建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣，當(dāng)我們?cè)L問(wèn)文件某個(gè)位置的數(shù)據(jù)的時(shí)候就可以在磁盤(pán)上找到了。

經(jīng)過(guò)上述介紹，相信大家對(duì)文件系統(tǒng)有了一個(gè)概要的認(rèn)識(shí)。如果大家想更加深入的了解文件系統(tǒng)的細(xì)節(jié)，可以進(jìn)一步閱讀本號(hào)的相關(guān)專(zhuān)欄。