linux文件系统中一些重要概念的分析

文件控制块（FCB，File Control Block）

linux文件系统使用目录来组织文件。目录也被组织成文件存放在磁盘上，成为目录文件。每个文件都在它属于的目录文件中登记一个文件目录项，这个文件目录项就是文件控制块。下图就是一个目录文件的物理结构示意图。遍历该结构，就可以找到该目录下的所有文件的文件控制块。

文件控制块1

文件控制块2

...

文件控制块n

文件控制块包含了文件除数据以外的控制信息，例如有关文件存取控制的信息（文件名、存取权限等）、有关文件逻辑结构和物理结构的信息、有关文件管理的信息（创建时间等）。因此，一个文件控制块的存储空间还是很大的。如果将文件控制块都直接保存在目录文件中，那么目录文件将会占据较多的物理块。遍历目录时就会读取多个物理快，从而降低了检索文件的速度。为了解决这个问题，linux引入了名为索引节点的数据结构。

索引节点（inode）

为了减少目录文件所占的物理块，linux将文件控制块一分为二，第一部分是文件名，第二部分是其他信息。其他信息被组织成定长的数据结构，称为索引节点。每个索引节点都有一个编号，称为索引号。每个文件目录项只保存文件名及文件名对应的索引号。这样文件目录项中只剩下14字节的文件名和2字节的索引号，一个512字节的物理块就可以保存32个文件目录项。也就是说，一个包含32个文件或子目录的目录，只占据1个物理块。可见，目录文件占据的物理块被大大减少。下图是使用了索引节点的物理文件的物理结构示意图。

文件名1	索引号1
文件名2	索引号2
...	...
文件名n	索引号n

提高文件访问速度，关键在于减少访问磁盘的次数，即减少访问读取物理块的数量。

外存索引节点

索引节点被保存在外存中，称为外存索引节点。

内存索引节点、内存索引节点表

索引节点存放在外存中。对某个文件的访问，会经常使用到它的索引节点，这样就会频繁地在内存和外存之间来回拷贝索引节点，效率较低。为了避免这个问题，linux在系统主存中开辟了一张内存索引节点表，该表共有100个表项，每个表项就是一个索引节点，称为内存索引节点。需要使用文件信息时，先到内存索引节点表中查找，如果找到则直接使用，否则将外存中的索引节点拷贝到内存索引节点表中，并使用之。使用内存索引节点表，不但能够加快文件访问速度，而且便于实现文件共享，这点在后面会提到。下图是内存索引节点表的示意图

索引节点1

索引节点2

...

索引节点n

内存索引节点表又被称为活动索引节点表，内存索引节点又被称为活动索引节点。

系统打开文件表

用户使用文件系统提供的API，按名访问文件，而不是直接访问索引节点。访问索引节点是文件系统的事情。文件系统必须根据文件名，在目录中查找到该文件的索引号，找到索引号后才能从内存索引节点表中查找索引节点。虽然索引节点可能被缓存在内存索引节点表中，但是在目录中查找索引号需要访问磁盘，效率是低下的。
为了解决这个问题，文件系统在内存中建立了一张系统打开文件表，该表共有100个表项。每个表项中存放了一个已打开的文件的索引号和其它信息。在文件被打开的时候，文件系统会在系统打开文件表中登记相应的表项。如果以后需要访问该文件，文件系统会首先在系统打开文件表中查找该文件的索引号。下图是系统打开文件表的示意图。

索引号1	其它信息1
索引号2	其它信息2
...	...
索引号n	其它信息n

系统打开文件表不但能提高文件访问效率，还便于实现文件共享，这点在后面会提到。

用户打开文件表

每个进程拥有一张用户打开文件表，该表有15个表项。它的表项类似于指针，指向系统打开文件表的表项。下图是用户打开文件表的示意图。

文件号1	指针1
文件号2	指针2
...	...
文件号n	指针n

这里没有使用文件名来标识一个文件，而是使用了文件号。用户打开文件表便于实现文件共享，这点在后面提到。

索引表

那么，索引节点是怎么描述文件数据的物理存储的呢？我们知道，文件数据存放在一个或多个物理块中，索引节点必须维护这些物理块的块号，才能真正找到文件数据。linux使用索引表来管理存放文件数据的物理块。索引表的每个表项都是一个物理块号。遍历索引表，就可以访问存放文件数据的所有物理块。那么，索引表是如何存放的呢？索引表同文件数据一样，也存放在物理块中。索引节点中包含了索引表所在物理块的块号，因此通过索引节点就可以访问到索引表，从而访问到文件数据。
如果文件很大，文件数据占用的物理块可能很多，索引表也会很大，那么，如果一个物理块不足以存放索引表怎么办？linux采用了多重索引表。
多重索引表是这样的。

1. 每个文件的索引表规定为13个索引项，每个项4个字节，登记一个物理块。
2. 索引项0－9中登记的是存放文件数据的物理块号。
3. 索引项10登记的是存放一张二级索引表的物理块号。二级索引表拥有128个索引项，每个索引项登记的是存放文件数据的物理块号。
4. 索引项11登记的是存放一张三级索引表的物理块号。三级索引表拥有128个索引项，每个索引项登记的是存放一张二级索引表的物理块号。二级索引表的内容同上。
5. 索引项11登记的是存放一张四级索引表的物理块号。四级索引表拥有128个索引项，每个索引项登记的是存放一张三级索引表的物理块号。三级索引表的内容同上。

根据多重索引表的结构，我们可以计算出linux支持的最大文件体积。(10+128+128*128+128*128*128)*512字节 约等于128＊128＊128＊512，即2的30次方，大约1G字节。

文件系统在外存上的组织安排。

磁盘被分成几个分区，每个分区称为一个文件卷。文件系统管理一个文件卷。文件卷被分成若干柱面、磁道和扇区。每个扇区为512字节，又称为物理块。0号物理块用于系统引导，1号物理块为超级块（super block），用于记录文件系统管理所需的信息。2－k块，用于存放外存索引节点表，k＋1－n块，用于存在文件数据，n＋1块的用途还不清楚。

文件的共享

linux上的文件共享分为两种：静态共享和动态共享。静态共享是指多个文件对应同一个物理存储。这可以通过文件连接和符号连接来实现。动态共享，是指不同进程并发地访问同一文件。动态共享是运行时的概念，进程结束了，共享关系也就消失了。

文件连接和普通文件一样被登记在目录文件中，他们的区别在于，文件连接会登记被链接文件的索引号，而符号连接只是登记被链接的文件的路径。

下面重点看看动态共享是如何实现的。

动态共享又分为两种情况：共享读写指针和不共享读写指针。如果两个进程合作访问一个文件，那就需要共享读写指针，这种情况常见于父子进程中。如果两个进程需要独立地、互不影响地访问一个文件，那就需要各自拥有独立的读写指针。

文件的读写指针是保存在系统打开文件表项中的。两个进程如果需要共享某个文件的读写指针，那么该文件在它们的用户打开文件表中的表项，应该都指向系统打开文件表的同一表项。 相反，则指向系统打开文件表的两个不同表项，只不过这两个表项都指向同一个索引节点。

系统打开文件表的表项中除了含有读写指针f_offset，还有文件的访问计数f_count和内存索引节点的指针f_inode。f_count指出使用同一系统打开文件表项的进程数，注意不是使用同一文件的进程数。f_count是系统打开文件表项能够释放的标志。