為什么要文件系統
在這篇【大話存儲】學習筆記（一），磁盤我們說到了硬盤的原理，如果要從硬盤里面取數據，需要告訴控制器從哪里取，取多長等關鍵信息，如果這個步驟由應用來做，則實在太磨人了。
所以操作系統提供了一個中間層，對我們來說，只需要記住文件名和路徑，其他的與磁盤塊打交道的事情就交給這個中間層來做。這個中間層即為文件系統
怎么記錄文件占有的磁盤塊
最容易想到的自然是連續存放。這種方法在隨機訪問的時候效率最好，只需要知道文件起始位置以及長度，就可以像數組一樣訪問。
缺點也很明顯，如果一個文件刪除了，就會留下很多空白的位置，后面的文件再過來填充的時候，如果填不滿，則會留下大量的碎片。
所以我們希望一個文件可以切分成若干小塊，使用鏈表串接起來。
這樣資源利用率當然高了，不過我們知道鏈表它的訪問效率并不高，也就是說 每次都得從第一塊開始，沿著鏈表往后找，非常消耗時間。
我們可以想想在圖書館怎么找書的，是不是有類似一張圖書——位置的對應表，我們按圖索驥即可。于是引入了索引式，使用專門的一個磁盤塊來存放文件屬性&文件所占的磁盤塊。這個塊叫inode。
怎么記錄目錄占有的磁盤塊
既然每個文件都有一個inode來描述，每個目錄當然也需要一個inode，其中存放了目錄的屬性以及這個目錄內容的磁盤塊號。
比如要讀取/tmp/test.log，查找次序是這樣的：
根目錄inode->根目錄磁盤塊->
tmp目錄inode->tmp目錄磁盤塊->
test.log的 inode->讀取磁盤塊
image.png
流程相當復雜，特別在刪除的時候，很容易就糟了。
比如想刪除/tmp/test.log需要
- 目錄中刪除文件
- 釋放inode到空閑的節點池
- 將磁盤塊釋放到空閑的磁盤池
如果某一步出錯，就可能出問題。為了解決這種問題，引入了日志。也就是說在操作之間把規劃列出來，形成日志，然后按照列出來的規劃進行操作，只有所有的步驟走完了才能擦除日志。
如果在某一步崩潰了，系統重啟的時候會再檢查日志項，發現哪些沒做，則重新來一遍即可。
如何管理空閑塊
我們已經解決了怎么存放文件和目錄的問題。但是我們還需要知道哪些地方沒有使用，也就是空閑的塊在那里。也就是說把空閑塊管理起來，統一進行空間分配。
我們同樣可以把空閑塊組成一個鏈表，然后分配的時候就遍歷一下鏈表即可。但是存在一個問題，如果磁盤塊號是32位，則每個塊都得花32位的空間，如果空閑塊非常多，則浪費極大。
既然我們只是要知道某個地方是否被占用，而某個地方只存在占用和未占用兩種可能，不妨使用一張位圖，對于每個磁盤塊，如果使用了，則標記為1，沒用就標記為0。這樣，每個磁盤塊只是使用了一位來標記，非常節省空間。
文件系統
我們以Linux ext2文件系統為例來看一下。
硬盤主要由MBR與分區構成。
其中MBR中有引導代碼與磁盤分區表
- 引導代碼
- 分區表：記錄每個分區的起始位置，已經哪個磁盤分區是主分區（活動分區）。對于主分區，系統會找到它，然后裝載這個分區中的
引導塊
引導塊里面有什么？每個分區都會一個引導塊，如果本分區里面存放有操作系統，則會通過引導塊來進行裝載。
磁盤分區表只有64字節，而每個分區項占用16字節，則只能容納4個分區。如果我們想有多于4個分區，則可以把其中一個設為擴展分區，然后繼續劃分邏輯分區即可。
每個分區由引導塊和塊組構成。
每個塊組中有：
- 磁盤塊位圖
- inode位圖
- inode表：存放文件和目錄的inode
- 數據塊
打個比方
打個不太恰當的比方，作為收尾。
可以把硬盤看做一個大倉庫，而磁盤控制器就是理貨員，沒有文件系統之前，外面的人（應用）取貨和送貨都需要直接于理貨員打交道，告訴他應該放那里，或者從那里取，非常的麻煩。
所以我們又請了一個倉管員（文件系統），由他來打理整個倉庫，他需要對倉庫里面放了什么東西，有多少空閑的地方了如指掌，所以外面的人只需要告訴倉管員要取什么文件，以及文件存放的路徑即可。
那么倉管員是如何管理倉庫的呢？
首先為了簡化管理，他把若干房間（磁盤塊）合在一起管理，形成簇（塊組）。
然后在簇里面分一些房間專門來存放每個文件存放的具體位置，這種專門用來表示“文件——磁盤塊”的映射關系的數據結構就叫inode。所以說如果要取文件的話，則可以先查看目錄的inode，在里面可以找到下一級目錄的inode號，然后可以去下一級目錄的inode里面找，一級一級的下去，最后可以找到文件inode，即可知道文件存在哪些具體的磁盤塊呢。
那么怎么存放數據呢？
倉管員把每個房間用一個格子表示，如果里面放了東西，則格子標1，如果沒放，則標0 。這么通過這幅位圖，就可以輕松知道那些房間是空余的了。
