从零开始写个文件系统
简单的demo文件系统
tinyfs一个简单的文件系统，用于理解linux内核的文件系统 源码注释版：https://github.com/ruoniao/tinyfs
文件系统基本信息
文件系统的基本操作
- 创建（Create）：
- 文件创建：创建一个新文件。通常通过系统调用如 open（使用 O_CREAT 标志）或 creat 实现。
- 目录创建：创建一个新目录。通过系统调用 mkdir 实现。
- 删除（Delete）：
- 文件删除：删除一个文件。通过系统调用 unlink 实现。
- 目录删除：删除一个空目录。通过系统调用 rmdir 实现。
-
读（Read）：从文件中读取数据。通过系统调用 read 实现，将文件内容读取到用户提供的缓冲区中。
-
写（Write）：将数据写入文件。通过系统调用 write 实现，将用户提供的数据写入文件中。
- 打开（Open）和关闭（Close）：
- 打开文件：通过系统调用 open 打开一个文件，并返回一个文件描述符。
- 关闭文件：通过系统调用 close 关闭文件描述符。
- 定位（Seek）：改变文件的读写位置。通过系统调用 lseek 实现，设置文件描述符的位置，用于下一次读写操作。
-
重命名（Rename）：改变文件或目录的名称。通过系统调用 rename 实现。
- 链接（Link）：
- 硬链接：创建一个新的目录项，指向现有文件的相同数据。通过系统调用 link 实现。
- 软链接（符号链接）：创建一个新的目录项，指向现有文件或目录的路径名。通过系统调用 symlink 实现。
- 获取属性（Get Attributes）和设置属性（Set Attributes）：
- 获取文件属性：通过系统调用 stat 或 fstat 获取文件的元数据（如大小、权限、修改时间等）。
- 设置文件属性：通过系统调用 chmod、chown 等修改文件的元数据。
- 文件系统导航（Directory Navigation）：读取目录：通过系统调用 opendir 打开目录，使用 readdir 读取目录项，最后用 closedir 关闭目录。
- 改变工作目录：通过系统调用 chdir 改变当前工作目录。
元数据
超级块
超级块是文件系统的重要数据结构，它包含关于文件系统的信息和元数据，定义了文件系统的基本参数和状态。
主要内容：
- 文件系统类型：标识文件系统的类型（如 ext4, xfs 等）。
- 总块数：文件系统中的块总数。
- 空闲块数：当前可用的块数。
- 空闲 inode 数：当前可用的 inode 数。
- 块大小：文件系统中块的大小。
- inode 大小：inode 的大小。
- 挂载状态：文件系统是否被挂载，以及挂载的相关信息。
- 时间戳：文件系统创建、挂载、卸载等操作的时间戳。
作用：
超级块用于文件系统的管理和维护，它提供了文件系统的整体信息，使得操作系统能够正确地读取和写入文件系统数据。超级块通常保存在文件系统的固定位置，确保系统重启或崩溃后能够恢复文件系统的状态。
inode 介绍
inode 是文件系统中的一个数据结构，代表一个文件或目录。每个文件和目录都有一个唯一的 inode，存储该文件或目录的元数据。
主要内容：
- 文件类型：文件、目录、符号链接等。
- 权限：文件的读、写、执行权限。
- 所有者和组：文件所有者的用户 ID 和组 ID。
- 文件大小：文件的字节数。
- 时间戳：文件的创建、修改、访问时间。
- 链接数：指向该 inode 的硬链接数量。
- 数据块指针：指向存储文件数据的块的指针列表。
作用：
inode 提供了文件或目录的所有元数据信息，使得操作系统能够管理文件的属性和数据存储位置。通过 inode，操作系统可以高效地访问文件内容和属性。
目录也是个文件
在 Unix 和类 Unix 文件系统中，目录本质上是一个特殊类型的文件，它包含了一系列目录项（directory entries），每个目录项记录了目录下的文件或子目录的名字和其对应的 inode 号。
目录项
目录项是目录文件中的一个条目，记录了目录下的文件或子目录的名字和对应的 inode 号。
主要内容：
- 文件名：目录下文件或子目录的名称。
- inode 号：文件名对应的 inode 号。
作用：
目录项提供了从文件名到 inode 的映射，使得操作系统能够根据文件名找到相应的 inode，从而访问文件的内容和属性。目录项的高效管理对于文件系统的性能至关重要。
元数据管理对性能的影响
元数据包括文件的所有属性信息（如 inode 信息、目录结构等），它们的管理对文件系统性能有显著影响。当一个目录的目录项数量过大，在目录中查找文件会非常缓慢
命名空间的管理
挂载命名空间是 Linux 命名空间的一种，用于隔离文件系统挂载点。每个挂载命名空间都有独立的挂载点视图，进程可以在自己的命名空间中挂载或卸载文件系统，而不影响其他命名空间。
存储管理
存储分配
连续分配
block 连续分配，优点是简单，索引迅速，随机访问支持好。缺点是删除文件会产生碎片，与内存分配碎片相似。创建或者增加文件长度时，开销大。ntfs格式就是连续分配
链式分配
像链表以管理block,优点时磁盘利用率高，数据可以不连续，分配空间可以时任意block,增删文件容易。 缺点是 随机访问效率低，所有块都需要从第一个块遍历过去。可靠性插，丢失一个block后续block都丢失。
索引分配
将每个block位置通过指针保存在索引节点表中，由于节点索引表空间有限，还可以通过间接分级索引的方式，将索引指针指向另一个节点索引表。ext2采用的是多级节点索引分配。优点是磁盘空间利用率高，类似链式分配，通过索引的方式使得随机访问效率也高。
空闲空间管理
bitmap位图管理
0表示未使用 1表示已经使用
链表管理
空闲空间管理性能
需要维护在内核和磁盘的数据一致性，当系统崩溃可能导致数据丢失，而且写回磁盘存在较高的延时，很大可能带来性能问题
Ext2文件系统案例
参考: https://www.kerneltravel.net/book/book/%E7%AC%AC%E4%B9%9D%E7%AB%A0Ext2%E6%96%87%E4%BB%B6%E7%B3%BB%E7%BB%9F.pdf
块组及块组中的数据结构
在快组1中记录了超级快，组描述符，块位图，索引节点位图，索引节点表，数据区信息等元数据。
ext2的寻址方式
12个直接索引，3个间接索引
