你手裡有一塊硬碟，大小為 1T
你還有一堆檔案
這些檔案在硬碟看來，就是一堆二進位制資料而已
你準備把這些檔案儲存在硬碟上，並在需要的時候讀取出來。
要設計怎樣的軟體，才能更方便地在硬碟中讀寫這些檔案呢？
1
首先我不想和複雜的扇區，裝置驅動等細節打交道，因此我先實現了一個簡單的功能，將硬碟按邏輯分成一個個的
塊
，並可以以塊為單位進行讀寫。
每個塊就定義為兩個物理扇區的大小，即 1024 位元組，就是 1KB 啦。
硬碟太大不好分析，我們就假設你的硬碟只有 1MB，那麼這塊硬碟則有 1024 個塊。
OK，我們開始存檔案啦！
準備一個檔案
隨便選個塊放進去，3 號塊吧！
成功！首戰告捷！
2
再存一個檔案！
誒？發現問題了，萬一這個檔案也存到了 3 號塊，不是把原來的檔案覆蓋了麼？不行，得有一個地方記錄，現在可使用的塊有哪些，像這樣。
塊 0：未使用
塊 1：未使用
塊 2：未使用
塊 3：已使用
塊 4：未使用
。。。
塊 1023：未使用
那我們就用 0 號塊，來記錄所有塊的使用情況吧！怎麼記錄呢？
點陣圖！
那我們給塊 0 起個名字，叫
塊點陣圖
，之後這個塊 0 就專門用來記錄所有塊的使用情況，不再用來存具體檔案了。
當我們再存入一個新檔案時，只需要在塊點陣圖中找到第一個為 0 的位，就可以找到第一個還未被使用的塊，將檔案存入。同時，別忘了把塊點陣圖中的相應位置改成 1。
完美！
3
下面，我們嘗試讀取剛剛的檔案。
咦？又遇到問題了，我怎麼找到剛剛的檔案呢？根據塊號麼？這也太蠢了，就像你去書店找書，店員讓你提供書的編號，而不是書名，顯然不合理。
因此我們給每個檔案起一個名字，叫
檔名
，透過它來尋找這個檔案。
那必然就要有一個地方，記錄檔名與塊號的對應關係，像這樣。
葵花寶典。txt：3 號塊
高量期末複習資料。mp4：5 號塊
中科院物理所的秘密。pdf：10 號塊
。。。
別急，既然都要選一個地方記錄檔名稱了，不妨多記錄一點我們關心的資訊吧，比如檔案大小、檔案建立時間、檔案許可權等。
這些東西自然也要儲存在硬碟上，我們選擇用一個固定大小的空間，來表示這些資訊，多大空間呢？128 位元組吧。
為啥是 128 位元組呢？我樂意。
我們將這 128 位元組的結構體，叫做一個
inode
。
之後，我們每存入一個新的檔案，不但要佔用一個塊來存放這個檔案本身，還要佔用一個 inode 來存放檔案的這些
元資訊
，並且這個 inode 的
所在塊號
這個欄位，就指向這個檔案所在的塊號。
如果一個 inode 為 128 位元組，那麼一個塊就可以容納 8 個 inode，我們可以將這些 inode 編上號。
如果你覺得 inode 數不夠，也可以用兩個或者多個塊來存放 inode 資訊，但這樣用於存放資料的塊就少了，這就看你自己的平衡了。
同樣，和塊點陣圖管理塊的使用情況一樣，我們也需要一個
inode 點陣圖
，來管理 inode 的使用情況。我們就把 inode 點陣圖，放在 1 號塊吧！
同時，我們把 inode 資訊，放在 2 號塊，一共存 8 條 inode，這樣我們的 2 號塊就叫做
inode 表
。
現在，我們的檔案系統結構，變成了下面這個樣子。
注意：塊點陣圖是管理可用的塊，每一位代表一個塊的使用與否。inode 點陣圖管理的是一條一條的 inode，並不是 inode 所佔用的塊，比如上圖中有 8 條 inode，則 inode 點陣圖中就有 8 位是管理他們的使用與否。
4
現在，我們的檔案很小，一個塊就能容下。
但如果需要兩個塊、三個塊、四個塊呢？
很簡單，我們只需要採用
連續儲存法
，而 inode 則只記錄檔案的第一個塊，以及後面還需要多少塊，即可。
這種辦法的缺點就是：容易留下大大小小的
空洞
，新的檔案到來以後，難以找到合適的空白塊，空間會被浪費。
看來這種方式不行，那怎麼辦呢？
既然在 inode 中記錄了檔案所在的塊號，為什麼不擴充套件一下，多記錄幾塊呢？
原來在 inode 中只記錄了一個塊號，現在擴充套件一下，記錄 8 個塊號！而且這些塊
不需要連續
。
嗯，這是個可行的辦法！
但是這也僅僅能表示 8 個塊，能記錄的最大檔案是 8K（記住，一個塊是 1K）， 現在的檔案輕鬆就超過這個限制了，這怎麼辦？
很簡單，我們可以讓其中一個塊，作為
間接索引
。
這樣瞬間就有 263 個塊（多了 256 -1 個塊）可用了，這種索引叫
一級間接索引
。
如果還嫌不夠，就再弄一個塊做一級間接索引，或者做二級間接索引（二級間接索引則可以多出 256 * 256 - 1 個塊）。
我們的檔案系統，暫且先只弄一個一級間接索引。硬碟一共才 1024 個塊，一個檔案 263 個塊夠大了。再大了不允許，就這麼任性，愛用不用。
好了，現在我們已經可以儲存很大的檔案了，並且可以透過檔名和檔案大小，將它們準確讀取出來啦！
5
但我們得精益求精，我們再想想看這個檔案系統有什麼毛病。
比如，inode 數量不夠時，我們是怎麼得知的呢？是不是需要在 inode 點陣圖中找，找不到了才知道不夠用了？
同樣，對於塊數量不夠時，也是如此。
要是有個全域性的地方，來記錄這一切，就好了，也方便隨時調整，比如這樣
inode 數量
空閒 inode 數量
塊數量
空閒塊數量
那我們就再佔用一個塊來儲存這些資料吧！由於他們看起來像是站在上帝視角來描述這個檔案系統的，所以我們把它放在最開始的塊上，並把它叫做
超級塊
，現在的佈局如下。
我們繼續精益求精。
現在，
塊點陣圖
、
inode 點陣圖
、
inode 表
，都是是固定地佔據這塊 1、塊 2、塊 3 這三個位置。
假如之後 inode 的數量很多，使得 inode 表或者 inode 點陣圖需要佔據多個塊，怎麼辦？
或者，塊的數量增多（硬碟本身大了，或者每個塊變小了），塊點陣圖需要佔據多個塊，怎麼辦？
程式是死的，你不告訴它哪個塊表示什麼，它可不會自己猜。
很簡單，與超級塊記錄資訊一樣，這些資訊也選擇一個塊來記錄，就不怕了。那我們就選擇緊跟在超級塊後面的 1 號塊來記錄這些資訊吧，並把它稱之為
塊描述符
。
當然，這些所在塊號只是記錄起始塊號，塊點陣圖、inode 點陣圖、inode 表分別都可以佔用多個塊。
好了，大功告成！
6
現在，我們再嘗試存入一批檔案。
葵花寶典。txt
高量期末複習資料。mp4
贅婿1。mp4
贅婿2。mp4
贅婿3。mp4
贅婿4。mp4
中科院物理所的秘密。pdf
誒？這看著好不爽，所有的檔案都是平鋪開的，能不能擁有
層級關係
呢？比如這樣
葵花寶典。txt
高量期末複習資料。mp4
贅婿
贅婿1。mp4
贅婿2。mp4
贅婿3。mp4
贅婿4。mp4
中科院物理所的秘密。pdf
我們將葵花寶典。txt 這種稱為
普通檔案
，將贅婿這種稱為
目錄檔案
，如果要訪問贅婿1。mp4，那全檔名要寫成
贅婿/贅婿1。mp4。
如何做到這一點呢？那我們又得把 inode 結構拿出來說事了。
此時需要一個屬性來區分這個檔案是普通檔案，還是目錄檔案。
缺什麼就補什麼嘛，我們已經很熟悉了，專門加一個 4 位元組，來表示
檔案型別
。
如果是
普通檔案
，則這個 inode 所指向的資料塊仍然和之前一樣，就是檔案本身原封不動的內容。
但如果是
目錄檔案
，則這個 inode 所指向的資料塊，就需要重新規劃了。
這個資料塊裡應該是什麼樣子呢？可以是一個一個指向不同 inode 的緊挨著的結構體，比如這樣。
這樣先透過
贅婿
這個目錄檔案，找到所在的資料塊。再根據這個資料塊裡的一個個帶有
inode
資訊的結構體，找到這個目錄下的所有檔案。
完美！
7
不過這樣的話，你想想看，如果想要檢視一下贅婿
這個目錄下的所有檔案
（比如 ll 命令），將檔名和檔案型別都展示出來，怎麼辦呢？
就需要把一個個結構體指向的 inode 從 inode 表中取出，再把檔名和檔案型別取出，這很是浪費時間。
而讓使用者看到一個目錄下的所有檔案，又是一個極其常見的操作。
所以，不如把檔名和檔案型別這種常見的資訊，放在資料塊中的結構體裡吧。
同時，inode 結構中的檔名，好像就沒啥用了，這種變長的東西放在這種定長的結構中本身就很討厭，早就想給它去掉了。而且還能給其他資訊省下空間，比如檔案所在塊的陣列，就能再多幾個了。
太好了，去掉它！
OK，大功告成，現在我們就可以給檔案分門別類放進不同目錄下了，還可以在目錄下建立目錄，無限套娃！
8
現在的檔案系統，已經比較完善了，只是還有一點不太爽。
我們訪問到一個目錄下，可以很舒服地看到目錄裡的檔案，然後再根據名稱訪問這個目錄下的檔案或者目錄，整個過程都是一個套路。
但是，最上層的目錄下的所有檔案，即
根目錄
，現在仍然需要透過遍歷所有的 inode 來獲得，能不能和上面的套路統一呢？
答案非常簡單，我們規定，
inode 表中的 0 號 inode，就表示根目錄
，一切的訪問，就從這個根目錄開始！
好了，這回沒有然後了！
我們最後來欣賞下我們的檔案系統架構。
你是不是覺得這沒啥了不起的。
但這個破玩意，它就叫檔案系統
完~
編輯：Eric
