文件系统是操作系统管理存储的核心机制。本文将从磁盘硬件原理出发，剖析 Linux 中经典的 ext 文件系统如何组织数据、管理文件，并揭示 inode、块、软硬链接等关键概念的底层实现。
一、硬件理解
文件存储通常位于计算机硬盘上，属于一种'永久性'存储，硬盘有固态硬盘（SSD）和机械硬盘（HDD）。
1.1 磁盘物理结构
扇区是从磁盘读出和写入信息的最小单位，通常为 512 字节。
- 磁头（head）数：每个盘片一般对应 1 个磁头。
- 磁道（track）数：从盘片外圈往内圈编号的同心圆。
- 柱面（cylinder）数：磁道构成柱面，数量等同于磁道个数。
- 扇区（sector）数：每个磁道被切分成扇形区域。
- 磁盘容量 = 磁头数 × 磁道 (柱面) 数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数。
CHS 寻址通过柱面、磁头、扇区定位。现代系统使用 LBA 地址。
CHS 转 LBA： LBA = 柱面号 C × (磁头数 × 每磁道扇区数) + 磁头号 H × 每磁道扇区数 + 扇区号 S - 1
LBA 转 CHS： 柱面号 C = LBA // (磁头数 × 每磁道扇区数) 磁头号 H = (LBA % (磁头数 × 每磁道扇区数)) // 每磁道扇区数 扇区号 S = (LBA % 每磁道扇区数) + 1
1.2 磁盘的逻辑结构
在 OS 看来，磁盘是一个元素为扇区的一维数组，下标为 LBA 地址。
二、Ext 文件系统
2.1 文件属性与分区
操作系统以'块'为单位进行操作，常见大小为 4KB（8x512 字节）。
- 块号 = LBA / 8
- 文件 = 属性 + 内容。元信息存储在 inode（索引节点）中。
ls -i可查看 inode 编号。- 文件名未纳入 inode 数据结构内部，inode 大小固定（通常 128 字节）。
Linux 早期文件系统为 ext2，后发展为 ext3/ext4，核心设计未变。
对磁盘的管理类似分治思想，linux 系统上柱面是最小的分区单位。
2.2 组管理字段
文件系统以分区为单位，不同分区可用不同文件系统管理。
Data Blocks：存放文件内容。inode Table：存放文件属性（inode 编号、类型、权限、大小等）。Block Bitmap：记录 Data Blocks 是否被占用。inode Bitmap：记录 inode Table 中各 inode 是否被使用。GDT：块组描述符，记录各块区域的起始地址、结束地址。Super Block：记录文件系统类型、版本、总块数、空闲块数、inode 起始地址等。
格式化操作本质是将 Super Block 初始化，将位图清 0。
2.3 inode 编号查询文件
inode 在分区内唯一。通过 Super Block 可知组中 inode 个数 w。
- 组号 = inode 编号 / w
- inode Bitmap 位置 = inode 编号 % w
目录本质也是文件，其内容是目录内部文件的文件名和 inode 编号的映射。
挂载示例：
dd if=/dev/zero of=./disk.img bs=1M count=5 # 制作一个大的磁盘块
mkfs.ext4 disk.img # 格式化写入文件系统
mkdir /mnt/mydisk # 建立空目录
mount -t ext4 ./disk.img /mnt/mydisk/
umount /mnt/mydisk
