【读书笔记unix操作系统设计】文件的内部表示

读完本文可以了解到什么

本章从索引节点和磁盘块的角度讲述了文件创建删除、读取时所采取的索引节点和磁盘块的操作，主要涉及索引节点的分配与释放（第五部分）（用于创建删除文件）、磁盘块的分配与释放（第六部分）（用于创建删除文件）、内存中索引节点的分配与释放（第一部分）（用于读取文件）。

文件系统概述

一个文件系统由一个逻辑块序列组成，每个块包含512、1024、2048个字节或512个字节的任意倍数，这依赖于系统的实现。如下图所示：

• 引导块： 文件系统的开头，可以含有被读入机器中起引导作用或初启操作系统作用的引导代码。虽然为了引导系统只需要一个引导块，但每个文件系统都有一个引导块（虽然可能是空的）。
• 超级快： 描述文件系统的状态----如文件系统多大，能存储多少文件，文件系统何处能找到空闲的空间以及其他信息。
• 索引节点表： 一张装有索引节点的表（存放在磁盘）。内核通过索引来访问索引节点表中的索引节点。有一个索引节点是文件系统的根索引节点，在执行了系统调用mount后，该文件系统的目录结构就可以从这个根索引节点进行读取了。对索引节点表操作时会被加入内存（不是全部加入内存，是部分加入）（内存中索引节点表和磁盘上数据结构有些差别）。
• 数据块： 存储数据。

一个文件的内部由一个索引节点给出，索引节点记录了文件数据在磁盘上的布局，并且包含文件所有者、创建时期等等信息。每个文件都有一个索引节点，但是它可以有几个名字，这几个名字都映射到该索引节点上（这一个文件）。每个名字都被称为一个联结。

上面描述了磁盘中文件的结构，下面简单介绍下内核中和文件系统相关的数据结构：

内核中包含另外两个数据结构（除了磁盘上的inode）：文件表和用户文件描述符表

• 文件表：是一个全局核心表，文件表中存着文件中的字节偏移量（下一次读写位置），对打开进程的所允许的存取权限。
• 用户文件描述符表：每个进程有一张，标识这一个进程的所有打开文件。

综上，文件系统主要通过三张表维护，索引节点表、用户文件描述符表、文件表。下图展示了三者的关系：

一、索引节点

1.1索引节点的定义

索引节点以静态形式存放在磁盘上，内核把他们读入内存索引节点表中以便操作它们。故在磁盘和内存中都有索引节点存在，但存储内容略有不同。

磁盘索引节点数据结构如下：

内存索引节点数据结构如下：

其中，内存索引节点状态、该文件的文件系统逻辑设备号、索引节点号、指向其他内存索引节点的指针、引用数均为内存索引节点独有的。

• 内存索引节点状态：是否上锁、索引结点是否更改、对应文件数据是否更改、是否有进程在等待、是否该文件为安装点（第5章详解）
• 索引节点号：文件在磁盘索引结点块中索引结点的数组下标
• 指向其他内存索引节点的指针：在空闲表和散列队列中的指针
• 引用计数：该文件的活跃实例数目（如几个进程打开了文件）

1.2索引节点的存取与释放

在介绍完文件系统中索引节点的数据结构后，我们将来探讨内核是如何获取索引节点并释放索引节点的。

1.2.1索引节点的存取

在获取将要读取的文件的索引节点号后（如何获取是上层服务完成），利用算法iget在内存中分配一个存储空间存放磁盘索引节点的拷贝（当然还有一些其他信息，正如1.1所述）。可以将内存中的索引节点理解为磁盘索引节点的高速缓冲，其分配算法和上一章中磁盘高速缓冲分配算法getblk几乎相同：内核把设备号和索引节点号散列映射到一个散列队列上，并搜索散列队列以找到该索引节