Unix文件系统基本概述

Posted 2021-04-30 CodingJourney

1. Unix系统内核框架

Unix内核基本上是按模块进行设计的，比如文件子系统，进程控制子系统等等，各个子系统相对比较独立，但在有必要的时候又可以进行彼此的沟通交流。下图就说明了早期Unix的系统内核框架。2. 文件子系统概要

什么是文件系统？

文件系统是一个逻辑（看不见，摸不着）上的概念，而磁盘是一个物理（真实存在，看得见，摸得着）上的概念。一套系统装置可以有若干个物理磁盘设备，每一个物理设备上可以包含一个或者多个文件系统（如下图所示），当然也可以不包含任何文件系统（那你买它干啥？）。下面涉及到的文件系统都是在 Unix 上的。

• 引导块：在文件系统的开头，典型地一般为一个扇区。如果操作系统装在该文件系统中，则该块包含了引导或初启操作系统的引导代码。如果没该文件系统没安装操作系统，则这个块的内容可能是空的。

• 超级块：相当于是保存了文件系统的元数据信息，描述文件系统的状态，比如它有多大，何处有空闲空间以及其他一些信息等等。（可通过 $ tune2fs -l 文件系统来查看文件系统的超级块的内容，需要root权限）

• 索引节点表：相当于是索引节点的一个数组，内核所引用的索引节点号即是索引节点在该数组中的下标大小。类似于文件的元数据信息。每个文件都有一个索引节点，但是一个索引节点可以对应几个文件名字，每个名字被称为一个链接（link）。内核实现文件名到索引节点的解析。

• 数据块：真正存放数据的地方。目录（PS：也是一个文件）在数据块中保存的数据是一系列的索引节点 <-> 文件名的 item。

内核中重要的三张表

内核中维护着三种表结构，分别是用户文件描述符表（user file descriptor table）、文件表（file table）和索引节点表（inode table）。

• 用户文件描述符表：每个进程被单独分配一个。该表标识着一个进程的所有打开的文件。对于系统调用 open和系统调用 creat，内核返回一个文件描述符（file descriptor），它是在用户文件描述符表中的索引值（每次调用这两个函数中的任意一个时，内核返回该用户文件描述表中可用的最小的表项的索引值，如果调用系统调用close时，内核会释放传递给close的文件描述符所对应的表项，使该表项重新可用）。0、1和2这三个文件描述符分别表示标准输入文件、标准输出文件和标准错误输出文件。

• 文件表：是一个全局核心结构。文件表保存着文件中的字节偏移量（下一次读或写的位置），并保存着对打开的进程所允许的存取权限。

• 索引节点表：也是一个全局核心结构。索引节点被存储在文件系统中（磁盘上），但是当操纵文件的时候，内核把它们读到内存索引节点表中。

当一个进程打开或创建一个文件时，内核在每个表中为相应于该文件的索引节点分配一个表项，用这三种结构表中的表项来维护文件的状态及用户对它的存取。使用这三张表，可以实现对一个文件的不同程度的存取共享。下图表示了这三张表即它们之间的相互关系。

（完）

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参考资料

• 《Unix操作系统设计》

• http://www.jb51.net/article/97059.htm