这篇文章聊聊文件系统是怎么写出来的，看完，你就可以自己去写文件系统了。本文以Linux的EXT系列文件系统为例进行讲解，理解了，其他的文件系统你就可以自行研究了，差不多的东西

理解了本文，你就可以将持久化存储、机械硬盘、固态硬盘、PCIe、操作系统、文件系统、EXT、NTFS、FAT、文件IO、page cache......彻底吃透，在存储短赛道打下深厚的功底

什么是文件系统，这个不用我介绍了吧。具象的说，就是管理文件的一套系统。抽象的说，就是连接用户与持久化存储设备的桥梁。如下图

本文自下而上，会讲到：

1. 一块主板最多能挂几块硬盘

2. 如果要写代码操控硬盘，有几种方式，代码具体要怎么写

3. 不同的文件系统，区别在哪里？同一种文件系统，是结构上有区别，还是算法上

4. 如何理解磁盘分区结构

5. 为什么第一个分区，都是从2048扇区开始

6. EXT文件系统长啥样

7. 磁盘分区、文件系统、块组之间是什么样的关系

8. 文件、目录在文件系统中是如何存放的

9. 一个分区最多支持多少个文件、目录

......

如果这些都是你想了解的，那太好了！如果有的是，有的不是，有的没想过，看看吧，技多不压身！

以下，enjoy

01

about硬盘

一块主板最多能挂几块硬盘呢？这个得看你的主板支持的硬盘接口类型。从古至今，硬盘接口类型有三种，现在主流的是PCIe接口，性能最高

如果我们想写代码操控硬盘，有哪些方式可用呢？对于操控硬件，一般有三种方式：BIOS中断、端口、内存映射。操控硬盘，可以用前两种方式：BIOS中断、端口，代码怎么写呢？

BIOS中断，代码这样写。如果写操作系统，这个只是在早期使用，当我们写的操作系统接管了中断，就不会去用BIOS中断了。而且BIOS中断功能也较弱，不能满足复杂的业务需求

主流的方式是用端口进行操作，代码这样写

至于代码为什么要这样写，我这里就不展开了。如果你想深入理解，可以去学习我的课程《手写64位多核操作系统》

我上面贴的代码都是同步机制操控硬盘，这个也是在操作系统内核早期，当操作系统内核接管了中断，实现了任务切换，就可以实现异步机制操控硬盘，这个也是当今科技世界操控硬件的主流方式

对了，硬盘的最小单位是扇区，sector，扇区的大小从512B、1K，到如今主流的4K，跟内存的物理页4K保持了一直。对于定位到某个扇区，硬盘提供了三种坐标方式：最早的是CHS，中间出现了一个过渡版本LBA28，如今主流的是LBA48

掌握了这些，你就可以去实现硬盘驱动了。实现文件系统的地基就有了，接着走

02

磁盘分区

拿到一块硬盘，一般会把它分成多个分区去使用

从古至今，磁盘分区结构有两种：MBR、GPT，现在主流的是GPT，我之前写文件系统用的是MBR，所以我就以MBR磁盘分区结构来讲了，大差不差，GPT只是在各个维度增强了而已，比如支持更多分区、每个分区能管理更大的磁盘空间

MBR磁盘分区结构的特点是：第一个扇区是MBR扇区，里面存放操作系统的boot代码+64B的磁盘分区信息；最多支持三个主分区+一个逻辑分区；逻辑分区中又可以支持主分区+逻辑分区，无限套娃

MBR磁盘分区信息在硬盘里长这样子，一般是在MBR扇区的末尾

是不是看不懂，没事，上c代码

分区信息里面有三个重要的东西：boot_ind告诉你这个分区是不是引导分区，就是是不是Windows的c盘，安装系统系统的盘。讲真，很多计算机方面的东西，Windows真的做的更人性化，比Linux

第二个就是start_sect，告诉你这个分区从哪个扇区开始。一般来说，第一个分区从2048开始，不是从2开始，为什么如此呢？

是不是看了等于没看，我当时看完也是这种感觉，于是我继续问，稍微好些

到这里，我们知道怎么去读写硬盘，知道MBR磁盘分区信息存储在哪，分区信息包含了我们写文件系统需要的信息，重要可以开始写文件系统了

03

EXT文件系统

操控硬盘、硬盘的第一个扇区为MBR扇区、磁盘分区信息，对于任何文件系统，都是一样的。那不同的文件系统，不一样的是什么呢？是文件系统结构

比如Windows的常用文件系统NTFS被设计成这样

比如Linux常用的EXT系列，被设计成这样。下面详细讲解EXT文件系统结构

硬盘的扇区大小从古至今经历了512B、1K，现在主流的4K。这张图描述的是1K年代，所以标注的引导块占1K，在4K为一个扇区的硬盘中，引导块占4K空间

块组是什么呢？块组是将分区进行分开管理，是EXT2引入的。其实块组针对以前的机械硬盘，效果显著，对于如今的固态硬盘，唯一的好处可能就是将大空间分块管理了

如何论证块组确实存在呢？通过命令查看

sudo dumpe2fs /dev/sda1 | less

有没有注意到里面的数字：32767，而且每个块组好像都是32768个扇区，为什么这样呢？因为块位图只占一个扇区大小：4096*8=32768。言外之意就是一个块组最大只能管理32768个扇区

比如这个分区有327680个扇区，就会被分成10个块组进行关联。那块组信息如何存储呢？

10个ext4_group_desc存储在文件字体的块组描述符表中

超级块是干嘛的呢？是描述整个文件系统信息的，比如块组描述符表在哪个扇区、块位图在哪个扇区、数据从哪个扇区开始存、这个分区一共有多少扇区可用......其实挂载，就是将超级块读入内存，完成目录与分区的映射

inode是干嘛的，研究过文件系统的应该都知道吧，它记录了很多非常重要的信息，比如目录中所有的文件对应的信息，如果是文件，比如文件内存在哪些扇区中存储

一个块组支持多少inode呢？32768个，算法跟前面一样。那是不是一个块组最多只能创建32768个文件呢？不是。因为文件跟inode并不是一一对应的关系。比如硬链接， 多个文件指向同一个inode

EXT4文件系统中，inode描述的信息非常多，结构体占256B，贴一些让大家感受一下

那一个4K的扇区可以放多少inode呢？16个。那32768个inode需要多少4K扇区存储呢？2048个。记不记得前面提到过一个2048，跟这里可不是一个意思哦。

给大家留到题，检测你有没有看懂这篇文章：第一个分区的第一个块组的数据块，是从哪个扇区开始的？