设备驱动与文件系统：06 目录与文件

磁盘使用的最后一层抽象：文件系统

今天我们讲第31讲，这一讲将完成磁盘对磁盘使用的最后一层抽象。对此板使用最后一层抽象，抽象出来的是什么呢？
实际上我们使用过磁盘，大家应该有这样的认识，最后不管这个磁盘是在windows上，在linux上还是在什么系统下面，也不管它里面是什么样的格式，最后给用户的感觉就是一个目录树。

这个目录从根目录开始，比如说底下可能有windows目录、system目录等等。也就是说，不管什么样的磁盘、在哪里，最后给用户展现出来的就是这样一棵目录树。既然是一棵目录树，那么这个目录树放在linux上应该好使，能形成一棵这样的树；放在windows上，也应该形成这样的树。所以，磁盘最后就形成了一个文件系统，它是一个子系统，可以独立工作。

这个磁盘上面一旦抽象为这样的系统以后，在windows上的这个文件系统可以把硬盘拔下来放在linux上面，在linux上面能把这个目录数展开，并且在这个目录书中去相应地找到相应的文件来进行读写。这就是操作系统上对磁盘使用的最后一层抽象，整个磁盘变成一颗目录树。

这一棵目录树里面放的是一堆文件，目录树是用来组织一堆文件的，这和前面我们讲的课程正好呼应。前面我们讲的是一个文件怎么找到那些盘块来读写，一个文件对应的是一个盘块集合，操作系统将文件这个字符流映射成一堆盘块。而今天要讲的文件系统，不是一个文件到一堆盘块的集合，因为整个磁盘上存放的是一堆文件，最终形成的是一堆文件以树状结构的组织方式。

这种组织方式是给用户的一种感觉，实际上磁盘里面就是一堆盘块，它要完成将整个磁盘的所有盘块进行抽象组织，所谓抽象就是用数据结构进行组织。之前讲文件的时候用innode进行组织这些盘块形成一个字符序列，这里就是将整个磁盘按照一定的方式存放一定的信息，最后形成给用户的这样一种抽象的结构。

对于文件系统来说，就是将整个磁盘抽象成这个样子，在整个磁盘上要存放一些信息，比如位图等。在磁盘块上，磁盘操作系统在一堆盘块上存放各种各样的信息，这些信息经过操作系统读、维护以后，就形成了这样一个样子。反过来，用户给出使用方式，操作系统负责将这个方式根据在磁盘块维护的数据结构和抽象关系，把用户抽象的使用最后落实为盘块的读写。因为整个磁盘的使用，最后必须是扇区的使用，用out发出c h s才好使。

从下往上说，文件系统就是形成将整个磁盘的盘块存储上面存储映射关系，维护结构，使得在用户眼里形成基于树状的目录树和文件组织结构；从上往下说，就是用户按照这种结构去存取、访问、管理文件，操作系统把用户的读写通过映射关系转化成对扇区的读写，最后落实到磁盘上。底层的结构是对上层的一种实现，而上层就是对底层这种抽象，用户眼里看到的就是这个目录树，这个目录树可以放在不同机器、不同操作系统上展开。

由此可以看出来，今天要讲的就是操作系统如何完成这个映射，完成从一堆文件到整个磁盘的映射，核心就是多个文件怎么处理。为什么我们总是说树状结构呢？在操作系统发展史上，它有一个演变的过程。最开始操作系统的一堆文件就放在一层，没有目录概念，这样在一个系统中有成千上万文件时，查找非常困难，不方便用户使用。后来尝试一个用户一个，但每个用户的文件垒在一起数量还是很多，也不好用。所以才引出了目录树的结构，目录树是典型的分层，这种结构清晰、可扩展性好，方便用户使用。

目录树结构中产生了目录这个概念，通过目录形成树状结构，实现这个结构就是对多个文件的组织结构。而实现这个结构的核心就在于目录的实现，将目录实现了，树状结构就有了，多个文件就能放到磁盘上。所以，目录实现成为关键，首先要明白目录怎么用。

用户使用目录形成这样一种结构对应的是程序，我们要解析用户在程序中使用目录的方式。用户从上面发下来的是一个路径名，open这个路径名时，这个路径名实际上就是从树根到某个节点的一条路，形成了树状结构。我们要做到的核心事情是根据这个路径名找到文件对应的fcb，上次讲已知文件的innode就能读写文件，现在是给一个路径，找到文件的innode，再和前面的知识衔接，就可以访问整个目录树。

所以，最关键的就是给一个路径名，根据树状结构产生的路径名，得到文件的fcb，完成路径名到fcb的映射，再通过fcb映射到盘块，最后落实到磁盘扇区的映射。完成这样的映射，操作系统就能实现出一颗目录树，用户就能在目录树上按照一定方式使用。

如何根据路径名找到fcb

拉回话题，我们讲最关键的问题，怎么根据路径名找到fcb呢？关键就在于目录中存放的到底是什么，目录是怎么实现的，核心就是磁盘块上应该存放什么信息来实现目录。

我们来看，目录中应该有什么呢？比如my目录下有data目录、count文件等三个文件，目录也是一个文件。那么目录中应该存放什么才能根据my找到里面的文件呢？直观想法是，my目录下能不能存放里面所有文件的fcb信息，把所有文件的fcb放在一起存在my目录下，找到my后把这些fcb全读出来挨个匹配，的确是一种方案，但这种方案比较慢。

my目录要找到里面文件，需要匹配文件名这个字符串，根据字符串找到对应的fcb。如果把目录下所有文件的fcb全部存放起来，在解析时，因为不知道要找的文件在哪，需要把所有目录项（文件名和fcb）全部读到内存里挨个匹配，很多fcb信息读进来是没有用的，浪费磁盘读取，因为磁盘很慢，所以需要优化。

那目录下到底应该存放什么呢？字符串必须有用于匹配，但fcb太大不能存放，还要能通过匹配找到fcb，所以可以存放一个编号。可以把fcb形成一个数组，编号就是数组中的第几项，知道编号和每个fcb的固定长度，就能算出在数组中的位置，进而知道盘块号，发出盘块号的读写就能读出对应的fcb。

这样，一个目录项中存放的是一个字符串加编号，相比存放完整fcb信息短很多，读进来解析快，浪费少。找到目标后，根据编号通过换算能找到对应的盘块和fcb，逐层向下类推，就能找到路径中终点的fcb，这就是目录的完整实现。

目录实现与磁盘格式化

从根目录开始，根目录没有其他信息告知其位置，所以根目录必须固定，一般放在固定位置，比如fcb数组中的第一项（编号为0）。但根目录不能在磁盘第一块，因为前面还要放一些信息，如磁盘大小、能存放文件数量等。

磁盘格式化时，需要记录根目录位置，记录的信息可以放在磁盘固定位置。这样，磁盘从一个机器插到另一个机器上，读取磁盘信息就能找到根目录。一旦找到根目录，它是个文件，根据根目录fcb中存放的信息就能找到其数据块，数据块里就是根目录存放的内容，即根目录下各个文件的位置信息（文件名和对应的fcb编号），再根据这些信息继续查找，就能找到其他文件。

要想整个文件系统能独立工作，磁盘插到不同机器上都能正常使用，还需要一些信息。关键在于根目录信息，所以整个磁盘要被格式化成特定样子，才能完成目录树解析，根据路径名从根目录开始找到目标文件的fcb。

磁盘格式化后，前面要放一个超级块，还可能有引导块（引导扇区固定大小）。超级块从磁盘0开始，引导块之后就是超级块，根据超级块里面的信息读出来，能获得一些关键信息，如不同区域长度等。通过这些信息就能算出根目录位置，一旦知道根目录位置，后面的目录树内容就能读进来，目录树就有了。

磁盘格式化后的工作与文件读写流程

一个磁盘格式化成这样以后，插到任何地方，通过读固定位置的超级块，解析里面的内容，就可以找到根目录，并且还可以读写文件、修改维护数据结构、申请新的空闲块、申请和释放innode等。

这样，我们就完成了一堆文件在磁盘上目录树结构的实现，核心是目录的实现和解析。为了找到根目录，需要将整个磁盘格式化成特定样子，有超级块、innode位图、空闲板块位图，在超级块里放一些信息来找到根目录。

到这里，理论部分全部结束，完成了全部映射。在这个映射下，磁盘是怎么使用的呢？
比如用户要读文件的某段字节，我们做的工作首先是open这个文件，从根目录开始，根据磁盘格式化的样子，从super block里面找到根目录，再找到各级目录，最后找到目标文件的fcb。

然后是read操作，根据innode和要读取的位置信息，找到对应的盘块，比如通过索引、链表或数组等结构找到盘块号。找到盘块号后，用内层抽象的电梯算法将盘块放在电梯队列中。在磁盘中断的时候，把盘块取出来，根据硬件参数（在bios中已获得，实验一时也让大家得到过这些参数）算出c h s关键数字，通过alt发给磁盘控制器，磁盘控制器驱动马达去读盘块，找到读写位置，将信息读到内存里。

到此为止，磁盘驱动的全部故事结束了，下次课我们讲目录这一部分的代码实现，把代码实现完整起来，就能编写一个小的文件系统。大家回去可以做相关实验，虽然这次实验不是文件系统，是一种特殊问题p l o c文件，但我们曾说过有八个实验加四个大型实验，其中一个大型实验就是做一个小型文件系统，大家感兴趣可以去做。