深入理解计算机系统---文件系统（共享文件）

先上个大图

本篇属于计算机操作系统里面的文件系统管理部分知识，主要介绍共享文件的功能。

不过在此之前，需要对整个文件系统进行一个简单的概述，以便知道共享文件到底是在操作什么。

一个文件系统由目录，文件夹，文件组成；构成方式就是目录--->文件夹--->文件。

而这些文件系统的构成是经过磁盘分区形成的，这里不用去管磁盘分区是怎么做的，只需要知道，一个磁盘在经过GPT分区后，目前的Windows系统采用的是NTFS格式的文件系统，而Linux多采用的是ext4格式的文件系统。

对于Windows系统，给磁盘分完区后，每个磁盘目录就是顶级目录，如下图：

进入磁盘后就会有目录和文件夹，或者文件。然后里面还会有二级目录，再包含文件夹，文件等。

关于目录，这里有两个概念要介绍：

1.绝对路径：从顶级目录(根目录)开始，到当前文件所在的目录路径；比如文件gcc.exe

它的绝对路径是：

F:\CodeBlocks20\CodeBlocks\MinGW\bin

2.相对路径：在包含当前文件的目录下的路径

\bin

Linux的分区不太一样，这里暂时不展开，感兴趣的可以自行百度一下。

文件命名

对于具体的每一个文件，根据它的文件后缀名不同而体现不同的功能。

比如：.txt表示它是文本文件，.exe表示它是可执行文件，.msi表示它是一个安装文件等等，还有许多不同的文件扩展名

文件属性

每一个文件都有自己的属性，包括文件创建时间，修改时间，文件大小等；用一个Windows下的文件举例，右键查看属性；

可以看到红色框内的就是它的属性

文件组成

上面知道了目录和文件的许多概念，但是当目录和文件过多的时候，文件系统又是怎么管理文件的呢？比如你要打开游戏，或者打开QQ这些软件，总不能每次跑到安装路径下去找可执行文件打开吧。这个时候，就需要对整个文件系统进行一些有序的管理，以便你能很快的找到或者打开文件。

文件系统会为每个文件分配两个数据结构：索引结点（index node）和 目录项（directory entry）

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

目录项，也就是 dentry，用来记录文件的名字、索引节点指针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。

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。

下面要提一下磁盘的一些概念：磁盘块/簇（虚拟出来的）。块是操作系统中最小的逻辑存储单位。操作系统与磁盘打交道的最小单位是磁盘块。通俗的来讲，在Windows下如NTFS等文件系统中叫做簇；在Linux下如Ext4等文件系统中叫做块（block）。

另外，磁盘进行格式化的时候，会被分成三个存储区域，分别是超级块、索引节点区和数据块区。 - 超级块，用来存储文件系统的详细信息，比如块个数、块大小、空闲块等等。 - 索引节点区，用来存储索引节点； - 数据块区，用来存储文件或目录数据；

整个文件系统和磁盘的关系如下图所示：

文件存储

我们知道一个文件是怎么组成的之后，就要知道它是怎么在磁盘中存储的。

文件的数据是要存储在硬盘上面的，数据在磁盘上的存放方式，就像程序在内存中存放的方式那样，有以下两种：

连续空间存放方式
非连续空间存放方式

其中，非连续空间存放方式又可以分为「链表方式」和「索引方式」

下面介绍索引方式，对于其他方式

索引的实现是为每个文件创建一个「索引数据块」，里面存放的是指向文件数据块的指针列表，说白了就像书的目录一样，要找哪个章节的内容，看目录查就可以。

另外，文件头需要包含指向「索引数据块」的指针，这样就可以通过文件头知道索引数据块的位置，再通过索引数据块里的索引信息找到对应的数据块。如下图所示：

但是当文件过大，达到一个索引数据块放不下索引信息时，就对它进行套娃（计算机系统的精髓所在），创建多级索引。

空闲空间管理

在将文件存储之后，我们总不可能恰到好处的使用了磁盘空间，不留一点缝隙，因此在文件存储之后，磁盘中总会产生一些空闲空间，当空闲空间变多的时候，就会影响磁盘的存储；这个时候就需要对这些空闲空间进行管理。而管理方式则有下面几种：

空闲表法
空闲链表法
位图法

空闲表法就是为所有空闲空间建立一张表，表内容包括空闲区的第一个块号和该空闲区的块个数，注意，这个方式是连续分配的。如下图：

我们也可以使用「链表」的方式来管理空闲空间，每一个空闲块里有一个指针指向下一个空闲块，这样也能很方便的找到空闲块并管理起来。如下图：

位图是利用二进制的一位来表示磁盘中一个盘块的使用情况，磁盘上所有的盘块都有一个二进制位与之对应。

当值为 0 时，表示对应的盘块空闲，值为 1 时，表示对应的盘块已分配。它形式如下：

1111110011111110001110110111111100111 ...

在 Linux 文件系统就采用了位图的方式来管理空闲空间，不仅用于数据空闲块的管理，还用于 inode 空闲块的管理，因为 inode 也是存储在磁盘的，自然也要有对其管理。

其实到此为止，一个文件从创建，构成，存储，空闲空间管理，似乎都有了对应的方式，但是它还缺少一些东西，那就是前面提到的，你不可能每次都到目录文件中去找可执行文件打开程序吧。

基于此，文件系统又提出了一种文件共享的方式：链接

文件共享

链接分为硬链接和软链接两种方式。

硬链接

具有相同inode节点号的多个文件互为硬链接文件；
删除硬链接文件或者删除源文件任意之一，文件实体并未被删除；
只有删除了源文件和所有对应的硬链接文件，文件实体才会被删除；
硬链接文件是文件的另一个入口；
可以通过给文件设置硬链接文件来防止重要文件被误删；
创建硬链接命令 ln 源文件硬链接文件；
硬链接文件是普通文件，可以用rm删除；
对于静态文件（没有进程正在调用），当硬链接数为0时文件就被删除。注意：如果有进程正在调用，则无法删除或者即使文件名被删除但空间不会释放。

软链接

软链接类似windows系统的快捷方式；
软链接里面存放的是源文件的路径，指向源文件；
删除源文件，软链接依然存在，但无法访问源文件内容；
软链接失效时一般是白字红底闪烁；
创建软链接命令 ln -s 源文件软链接文件；
软链接和源文件是不同的文件，文件类型也不同，inode号也不同；
软链接的文件类型是“l”，可以用rm删除。

总结一下：

硬链接：与普通文件没什么不同，inode 都指向同一个文件在硬盘中的区块
软链接：保存了其代表的文件的绝对路径，是另外一种文件，在硬盘上有独立的区块，访问时替换自身路径。

到此，我们也解决了如何快速打开文件的问题。对于一个文件系统的描述已经差不多了。

上面介绍的都是文件，关于目录没怎么介绍，下面进行补充：