一、前提
前面我们整理了关于进程和内存文件之间的关系，简单的了解了文件在被加载到内存后，OS做了哪些事情，并且认识了很多文件读写的系统接口以及底层的封装逻辑，还有对缓冲区的了解，这些都是内存中的文件，接下来这篇将整理和学习关于文件在磁盘中是如何存储的，理解了这一部分，我们也就简单的认识到了文件系统的底层设计等等
二、磁盘的物理结构
要理解文件在磁盘上是如何存储的，得先对磁盘的物理结构有个简单的认识
磁盘的内部图如上，中间有一摞子盘片，每一片都有两面，实际数据就是记录在这些盘片上的，我们可以认为任何文件和数据到计算机底层都是0和1的组合，而在磁盘上可以用N极和S极，或者带磁和无磁等等去表示0和1，这也是磁盘这个名字的由来，盘片的中间和边边有两个马达，分别控制着盘片中心轴旋转和距中心轴里外的延伸，按在外边缘马达上的那个玩意叫磁头，就是由这个磁头去对盘片进行读写
例如图中的盘片由三片，也就是六面，每一面都有一个磁头，这些磁头的运动都是共进退的，这两个马达的运动保证了磁头可以到盘片的任意一个位置
注意，盘片和磁头之间是有极小的距离的，而非直接接触，直接接触在盘片高速旋转下，会摩擦生热，热可能会导致消磁，从而丢失数据
简单了解一下关于磁盘的物理结构后，我们知道数据就根据某种策略，利用磁性被存放在各个盘片上，接下来进一步具体的学习盘片上相关的细节
首先先看图3，一个圆形的盘面我们可以将其等分成多个扇形，这些扇形称为扇面，然后以不同半径等距往内划分同心圆，就可以交汇得到一个个扇区，这些扇区一般就作为磁盘中存储的基本单元，通常是512字节或者是4kb字节，而同半径的所有扇区集合起来，就被称为磁道，从宏观来看，例如图一，也可以称之为柱面
扇区虽然从里到外的面积大小不一样，但实际大部分的磁盘设计，扇区内的数据大小都是一样的，通常为512字节
数据的读取基本单元是一个扇区，而我们确定一个扇区位置的方法，首先我们需要在哪一个柱面（cylinder）上，然后是确定哪一个磁头（head），最后再确定哪一个扇区（sector），这种定位任意扇区的方法叫CHS定位法
一个文件本质就是数据0和1的各种组合，所以无非就是占用着一个或多个扇区，我们可以通过CHS定位法定位到一个扇区，就可以定位到文件，从硬件的角度对文件进行读写
三、磁盘物理结构的逻辑抽象
上面我们简单了解了磁盘的物理结构，以及数据是如何读取和写入的，当然，都是些简单的基本认识，有了上面那部分的简单认识后，我们需要将物理结构进一步的抽象到操作系统的层面来理解，实际在对磁盘上数据进行各种读取和写入的操作，都是由操作系统去执行的，因此操作系统是需要定位到文件位置（扇区位置），但操作系统的定位方法和硬件物理结构中CHS定位法是不一样的
操作系统和磁盘需要做好解耦合，操作系统需要有自己的一套方案去应对文件如何定位的问题，这样将来就算是硬件迭代更新，可能采取的定位策略或者其他结构发生了改变，也不影响操作系统的定位思路
接下来是对磁盘的逻辑抽象，可以将一个盘面想象成一个磁带
这种磁带卷起来就是个圆，我们将磁盘的磁面就想象成卷起来后的磁带，现在将其拉直成一条线性的磁带
这就是初步完成了一个从物理逻辑到线程逻辑的抽象，此时我们就将磁盘的物理结构，可以认为就是线性的一大块数据空间，而这个空间的单位大小为4kb一小块，通过LBA方法可以定义到任意块的位置，也就能够找到任意文件。
计算机常规的访问方式是起始地址＋偏移量的方式，因此我们只需要知道数据块的起始地址（第一个扇区的地址）+4kb，就可以划分每一块单位空间大小的地址，块的地址本质可以看作为一个数组的下标，我们可以用线性下标的方式定位到任意一个块，这就是LBA方法
至于如何从CHS和LBA之间来回转换，逻辑上就是根据有多少柱面，多少磁头，多少扇区去可以通过数学运算转换的，实际会多很多细节上的各种运算，但原理就是这样
四、文件系统
通过前面的铺垫，操作系统要管理磁盘，就是将磁盘看作一个巨大的数组，对磁盘的管理，也就可以视为对这个大数组的管理，而通常由于一个磁盘的大小非常大，往往我们对其进行分区，例如将一个500G的磁盘划分为几个100G的区，这就是我们常见的C盘，D盘，E盘的划分，每个区都有各自相同且独立的管理系统，而每个区又会往下分组，我们只要认识好一个组是如何管理的，也就知道了其他组是如何管理的
1.Block Group（块组）
ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相 同的结构组成
1.1 SuperBlock
存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量， 未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了，因此每个组的最开端都记录着一样的该信息，相当于做了很多很多的备份，并且都是同步更新数据。
1.2 Group Descriptor Table（GDT）
块组描述符，描述块组属性信息。
1.3 Block Bitmap（块位图）
Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
1.4 inode Bitmap（inode 位图）
每个文件在磁盘中管理时，都有一个inode编号，它存放在inode类对象中，每个bit表示一个inode编号是否空闲可用。
1.5 inode Table（inode表格）
inode是一个类，成员里面包括着一个文件的各种文件属性信息，如文件大小，所有者，最近修改时间等，也包括着这个文件的唯一编号（inode）。
1.6 Data Block（数据区）
用于存放文件内容的一块空间，下标与Block Bitmap存在着映射关系
2.文件增删查改
2.1 创建文件
创建一个文件时，CUP会通过inode的位图找到未被使用的inode，为该文件去分配一个inode，并且创建对应的inode对象，在inode对象中会记录该文件的各种属性数据，并且为该文件分配数据块空间，在对文件写入时会分配数据块对文件内容进行存储，对应位置记录在inode对象中，并且将文件名添加到文件当前目录下，文件inode和文件名存在映射关系，这种映射关系信息记录在当前目录中
2.2 删除文件
删除文件则是对各种资源的释放，但实际并不需要对磁盘内容部分进行清空，只需要对文件内容部分对应的数据块位图进行修改，将已使用修改为未被使用，实际内容部分不修改，即可认为内容被删除，然后对inode位图也进行修改即可
2.3 修改文件
修改文件就是根据当前目录所记录的文件名和文件inode的映射关系，找到文件inode，从而找到文件inode对象，再根据inode对象中记录的数据块映射关系，就可以找到数据区中关于该文件的内容，即可对该内容进行读写修改
3.补充细节
3.1 如果文件被误删了怎么办？
文件被误删，由于cup对文件删除的操作只是对相应的数据块位图和inode位图进行修改，而对实际内容并不会修改，所以当重要文件被删除时，先停止对磁盘进行写入，想办法找到文件之前的inode，通过inode去找到对应的空间，并且恢复数据，实际操作需要下载一些专门恢复文件的软件，原理上，只有磁盘对应位置不被其他内容写入覆盖，数据是可以恢复的
3.2 inode在区内独立有效
每个文件的inode的在各自的分区内有效，在不同的分组里，各自的inode是独立的，每一个分区都是自己独立的一套文件系统，每个分组也是独立的一套相同的文件系统
3.3 分区和分组是谁做的，在什么时候完成？
文件系统的分区和分组是CUP在开机时，就根据SuperBlock内记录的分组和分区信息对文件进行分组和分区，格式化就是对分区进行写入文件系统的管理信息
3.4 inode中关于数据块的映射关系细节
一个数据块只有4kb左右的大小，而一个文件内容可能会非常大，如果单纯用一个数组下标去对应，则会需要相当多的空间，因此实际在建立映射关系时，存在一级索引、二级索引、三级索引，一级索引就是直接的下标映射关系，二级索引则是该索引指向一个数据块，在该数据块中记录的内容是文件内容对应的一级索引，同理，三级索引内指向的是二级索引，具体的优化策略根据cup去决定
3.5 有没有可能inode用完了但数据块还有很多，或者数据块用完，inode还有很多？
可能，前者是创建了大量的空文件，占据大量的inode，而实际数据块不怎么使用，后者是开了一个非常大的文件，导致数据块空间消耗完，实际开发中，遇到以上情况说明配置不够，一般不会那么极限
五、软硬链接
1.理解
1.1 软链接
软链接的本质就是新建立一个文件去指向被链接的文件，该文件内记录着被链接文件的路径信息，可以通过对软连接文件间接的对源文件进行各种操作。
链接方式：ln -s 源文件 软链接文件
例：
应用场景
一些路径比较复杂或者比较深的文件，我们可以通过软链接对其建立使用的快捷方式，类似于Windows下的桌面快捷方式
1.2 硬链接
硬链接的本质是在目录下建立文件名字和inode的新的映射关系，硬链接文件和源文件的inode是一样的，可以认为就是给源文件起别名，在ls查看时，第二列的数字表示的就是当前文件硬链接数
链接方式：ln 源文件 硬链接文件
例：
应用场景
目录也是文件，实际在Linux中
. 表示当前目录
.. 表示上级目录
本质就是硬链接的应用，在当前目录下创建一个新目录时，操作系统会对当前目录自动建立一个硬链接，并且该硬链接文件存放在新建目录中，新建目录本身也会建立一个硬链接，分别就是**.** 和**..**
总结
本篇整理总结了关于文件系统和软硬链接的相关知识点