核心 · 操作系统第 6 课 / 共 6 课免费阅读

文件系统 · 操作系统

文件系统怎么把一个路径变成磁盘上的字节？

为什么需要它

磁盘只会存编号的块。文件系统在上面加了名字、文件夹、大小和权限。弄懂它是怎么做的（inode、块、目录项），就能解释为什么磁盘还有空间却显示「满了」、硬链接是怎么回事、为什么删掉一个正在被写的日志空间不会释放，以及 ls -l 的数字从哪来。

直觉理解

块是磁盘上一段固定大小的空间（通常 4 KB）。
inode 描述一个文件：大小、所有者、权限，以及存放数据的块的列表。它有编号，没有名字。
目录是一种特殊文件，把名字映射到 inode 编号。

所以打开 /home/ada/notes.txt 的过程是：在根目录里找 home → inode → 那个目录的条目 → ada → …… → notes.txt → inode → 数据块。

两个名字指向同一个 inode，就是硬链接。只有当没有任何名字、也没有任何打开的程序再引用这个 inode 时，数据才会被释放。

定义

inode 索引节点

A record describing one file (size, owner, mode, timestamps, block list). Directories map names to inode numbers.
描述一个文件的记录（大小、所有者、权限、时间戳、块列表）。目录把名字映射到 inode 编号。

块 Block

The unit the disk is divided into. A file uses whole blocks, so a 1-byte file still takes one block.
磁盘划分的单位。文件占用整数个块，所以 1 字节的文件也要占一个块。

示例

解析一个路径

动手试试

一个迷你文件系统：目录把名字映射到 inode 编号；inode 保存数据。

inodes = {
    1: {"type": "dir", "entries": {"home": 2, "etc": 5}},
    2: {"type": "dir", "entries": {"ada": 3}},
    3: {"type": "dir", "entries": {"notes.txt": 4}},
    4: {"type": "file", "data": "buy milk"},
    5: {"type": "dir", "entries": {}},
}

def lookup(path):
    ino = 1
    for name in path.strip("/").split("/"):
        node = inodes[ino]
        if node["type"] != "dir" or name not in node["entries"]:
            return None
        ino = node["entries"][name]
    return ino

print(lookup("/home/ada/notes.txt"))
print(inodes[lookup("/home/ada/notes.txt")]["data"])
print(lookup("/etc/passwd"))

逐步执行

L10从根目录开始，inode 1。
L15每个名字通向下一个 inode。
L18home → 2，ada → 3，notes.txt → 4。4
L20/etc 里没有这一项。None

常见错误

删除仍在被写入的日志

rm 删的只是名字，正在写它的程序还握着这个 inode，所以在它关闭文件或重启之前，空间不会释放。

inode 用光了

几百万个小文件可能把 inode 用光，而块还有剩余：明明显示有空间，却报「No space left on device」。用 df -i 检查。

小测验

1. 这段代码会输出什么？

import math
BLOCK = 4096
for size in [1, 4096, 4097, 10000]:
    print(size, math.ceil(size / BLOCK))

A
```
1 1
4096 1
4097 2
10000 3
```
B
```
1 0
4096 1
4097 1
10000 2
```
C
```
1 1
4096 2
4097 2
10000 3
```

查看答案

答案：A

文件总是占用整数个块：向上取整。

2. `notes.txt` 和 `copy.txt` 是指向同一个 inode 的硬链接。你 `rm notes.txt`。数据会怎样？

A还在；copy.txt 仍然指向它
B被删了
Ccopy.txt 变成空的

查看答案

答案：A

inode 有一个链接计数。只有降到零时，数据才会被释放。

动手练习

3 道练习，分三层：先预测程序的输出，再按新需求改程序，最后从零写一个。代码在浏览器里运行，提交马上判题。

预测输出链接计数
准确写出这段程序的输出。
改需求按整块计算
disk_usage(sizes, block) 应该返回一组文件实际占用的磁盘字节数。它把文件大小直接相加，但每个文件都占用整数个块。修好它。
从零写列出一个目录
用和例子一样的结构，写函数 ls(inodes, path)，返回 path 这个目录里的名字（排好序）。"/" 表示根目录，inode 1。路径不存在或不是目录时返回 None。

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本课术语

术语	中文	英文定义
File system	文件系统	The layer that turns disk blocks into named files and folders.
Inode	索引节点	The record describing one file: size, owner, mode and blocks.
Hard link	硬链接	Another name for the same inode.