052-Linux中的文件系统

尽量让 GPT 根据目前的状况重写了下面的内容，PPT ……

磁盘结构

• #0 引导块

• #1 超级块：存放文件系统管理信息

  • inode表所占盘块数

  • 文件数据所占盘块数

  • 主存中登记的空闲盘块数

  • 主存中登记的空闲块物理块号

  • 主存中登记的空闲inode数

  • 主存中登记的空闲inode编号

• #2-k+1 索引块

• #k+2-n 数据块

GPT说：

在现代 Linux（如 ext2/3/4）中，磁盘被划分为多个块组（block group），每组都包含：

• 超级块副本

• 块位图

• inode 位图

• inode 表

• 数据块区

只有第一个块组的第一个超级块（块号1）是主超级块。

inode & dentry

• inode：inode号|文件类型|权限|拥有者|大小|数据块地址指针|创建/修改时间|inode引用数|所在设备|...

• inode 存在 inode 表中

• 目录块中存放 inode 编号，根据编号找到对应 inode

• i_data[]：inode的索引

  • 前 12 项：直接索引

  • 第 13 项：一级间接索引

  • 第 14 项：二级间接索引

  • 第 15 项：三级间接索引

• dentry 目录项：文件名|inode号

用户打开文件表

• 用户&进程级，记录当前进程的文件，位于PCB中

• 表项：文件描述符，指向系统打开文件表内的对应表项

• 文件描述符为int类型，实现按号存取

系统打开文件表

• 内核级，记录系统中所有已打开的文件

• 表项：文件指针|偏移量|f_count|访问模式|inode表指针

活动 inode 表

• 内存区开辟，硬盘目录项的 Cache

• 若访问文件时，inode不在内存中，在活动表中开辟一个 inode 结构，读入磁盘中的 inode

• 关闭文件时：减少 inode 的引用计数 i_count

• 多用户同时使用文件：对当前使用用户数进行引用计数，若为 0 则写回

• 路径解析、ls、stat 会加载 inode，此时用户打开文件表无信息，只有活动 inode 表有信息

总体关系

• 文件描述符 fd -> 用户打开文件表项 -> 系统打开文件表项 -> 活动 inode 表项 -> 磁盘上的 inode 表项 -> 物理块

文件共享

• 硬链接：指向目标文件的 inode

  • ln file1 file2：创建硬链接

  • 在 inode 中维护文件引用计数，当引用计数为 0 时，删除文件，否则只删除目录项

• 软链接：仅仅指向文件名的路径，而非inode号

  • ln -s file1 file2：创建软链接

  • 软链接的 inode 和源文件的 inode 不同

  • 跨文件系统只能使用软链接

类型	是否独立文件	是否共享 inode	是否跨文件系统	是否跟随原文件
硬链接	否	是	否	是
软链接/符号链接/快捷方式	是	否（有自己inode）	是	否（指向路径）

文件动态共享

• 共享文件：多个用户/进程同时使用同一文件

情况	文件偏移量是否共享	说明
fork()	✅ 共享偏移量	父子进程共享系统打开文件表项
dup() / dup2()	✅ 共享偏移量	两个文件描述符指向同一系统打开文件表项
再次 open()	❌ 不共享偏移量	每次 open 新建系统打开文件表项
不同用户进程	❌ 不共享偏移量	各自独立打开文件

总结：常见的引用计数

引用计数类型	所在结构	意义	增加时机	减少时机
硬链接计数（link count）	inode（磁盘）	文件名（目录项）指向该 inode 的数量	创建硬链接 (ln file1 file2)	删除硬链接（或文件）
打开文件计数（open count）	活动 inode 表（内存）	有多少打开的文件表项指向这个 inode	打开文件（open()）	关闭文件（close()）
文件表项引用计数（file descriptor count）f_count	系统打开文件表	有多少用户文件描述符指向这个表项	dup(), fork() 复制父进程文件描述符	close() 或进程结束
目录项引用计数	VFS 层/目录缓存	有多少目录项（dentry）指向某个 inode（含子目录）	访问目录/路径解析	文件删除/目录项被淘汰
inode 引用计数（内存引用计数） i_count	活动 inode 表	有多少结构在使用这个 inode（dentry、open file 等）	文件被访问（打开、路径遍历）	文件句柄关闭、路径释放
挂载点引用计数（mount count）	内核挂载表	文件系统或挂载点被引用的次数	被挂载、访问文件系统	卸载或不再访问

区分 i_count 和 f_count

• i_count：inode 级别

• f_count：文件级别

• 文件和 inode 并非一一映射，所以 f_count 不一定和 i_count 一致

主存映射文件

• 降低访问磁盘的时间开销

• 新增系统调用：

  • mmap()：将文件映射到内存中

  • munmap()：解除映射

虚拟文件系统

• 屏蔽不同文件系统，本地/远程文件系统的差异，统一接口

• 层次

  • 应用层：系统调用，open()、read()、write()、close()

  • 系统接口层：sys_open()、sys_read()、sys_write()、sys_close()

  • 实现层：具体的文件系统实现

• VFS 层

  • 超级块（整个文件系统）：struct super_block

  • 文件对象：struct file

  • 索引节点：struct inode

  • 目录项对象：struct dentry

• 注册/注销文件系统类型：编译时确定/insmod注册注销

• 文件系统安装：mount，将文件系统挂载到某个目录下

• 文件系统卸载：umount，将文件系统从某个目录下卸载