Linux文件系统
很详细地了解某个操作系统的实际工作方式是非常困难的，因为大多数操作系统的源代码都是严格保密的。在以实际使用为目标的操作系统中，让任何人都可以自由获取系统源代码，无论目的是要了解、学习还是修改，这样的系统并不多。本论文的主题就是这些少数操作系统中的一个：Linux。
Linux是一个性能稳定、功能强大、效率高的操作系统。它在功能特性方面与Unix系统相似，同时又具有多任务、多用户、多平台等若干特性。Linux的源代码是开放的，阅读Linux源代码,无疑是深入学习Linux的最好方法。
文件系统是Linux操作系统的重要组成部分，Linux文件具有强大的功能。文件系统中的文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构，所有Linux 用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。
Linux 最早的文件系统是Minix，但是专门为Linux 设计的文件系统——扩展文件系统第二版或EXT2被设计出来并添加到Linux中，这对Linux产生了重大影响。EXT2文件系统功能强大、易扩充、性能上进行了全面优化优化，也是现在所以Linux发布和安装的标准文件系统类型。
每个实际文件系统从操作系统和系统服务中分离出来，它们之间通过一个接口层：虚拟文件系统或VFS来通讯。VFS使得Linux可以支持多个不同的文件系统，每个表示一个VFS 的通用接口。由于软件将Linux 文件系统的所有细节进行了转换,所以Linux核心的其它部分及系统中运行的程序将看到统一的文件系统。Linux 的虚拟文件系统允许用户同时能透明地安装许多不同的文件系统。
在Linux文件系统中，作为一种特殊类型/proc文件系统只存在内存当中，而不占用外存空间。它以文件系统的方式为访问系统内核数据的操作提供接口。/proc文件系统是一个伪文件系统，用户和应用程序可以通过/proc得到系统的信息，并可以改变内核的某些参数。
在Linux文件系统中，EXT2文件系统、虚拟文件系统、/proc文件系统是三个具有代表性的文件系统，本论文试图通过对他们的分析来研究Linux文件系统机制。并且在分析这三种文件系统的基础上对Linux文件系统操作进行了解、研究（本论文选取了open和close两种操作进行研究）。在第二部分中将介绍EXT2文件系统；第三部分论述虚拟文件系统的特点；第四部分简要介绍/proc文件系统；最后，介绍两种具体文件系统操作的实现。
2 EXT2文件系统
在Linux中普通文件和目录文件保存在称为块物理设备的磁盘或者磁带上。一套Linux系统支持若干物理盘，每个物理盘可定义一个或者多个文件系统。（类比于微机磁盘分区）。每个文件系统由逻辑块的序列组成，一个逻辑盘空间一般划分为几个用途各不相同的部分，即引导块、超级块、inode区以及数据区等。
引导块：在文件系统的开头，通常为一个扇区，其中存放引导程序，用于读入并启动操作系统；超级块：用于记录文件系统的管理信息。特定的文件系统定义了特定的超级块；inode区（索引节点）：一个文件或目录占据一个索引节点。第一个索引节点是该文件系统的根节点。利用根节点，可以把一个文件系统挂在另一个文件系统的非叶节点上；数据区：用于存放文件数据或者管理数据。
Linux最早引入的文件系统类型是MINIX。MINIX文件系统由MINIX操作系统定义，有一定的局限性，如文件名最长14个字符，文件最长64M字节。第一个专门为Linux设计的文件系统是EXT（Extended File System），但目前流行最广的是EXT2。
第二代扩展文件系统由Rey Card 设计，其目标是为Linux 提供一个强大的可扩展文件系统。它同时也是Linux界中设计最成功的文件系统。通过VFS的超级块（struct ext2_sb_info ext2_sb）可以访问EXT2的超级块，通过VFS的inode（struct ext2_inode_info ext2_i）可以访问EXT2的inode。
文件系统EXT2的源代码在/usr/src/linux/fs/ext2目录下，它的数据结构在文件/usr/src/linux/include/linux/ext2_fs.h以及同一目录下的文件ext2_fs_i.h和ext2_fs_sb.h中定义。
EXT2文件系统将它所占用的逻辑分区划分成块组（block group），如下图所示：
组0
组1
…………
组N
↓
超级块
组描述符表
块位图
inode位图
inode表
数据块
图1 EXT2文件系统逻辑分区
和很多文件系统一样, EXT2 建立在数据被保存在数据块中的文件内这个前提下。这些数据块长度相等且这个长度可以变化，某个EXT2 文件系统的块大小在创建（使用mke2fs）时设置。每个文件的大小和刚好大于它的块大小正数倍相等。如果块大小为1024 字节而一个1025 字节长的文件将占据两个1024 字节大小的块。这样你不得不浪费差不多一般的空间。我们通常需要在CPU 的内存利用率和磁盘空间使用上进行折中。而大多数操作系统，包括Linux 在内，为了减少CPU 的工作负载而被迫选择相对较低的磁盘空间利用率。并不是文件中每个块都包含数据，其中有些块被用来包含描叙此文件系统结构的信息。EXT2通过一个inode 结构来描叙文件系统中文件并确定此文件系统的拓扑结构。inode 结构描叙文件中数据占据哪个块以及文件的存取权限、文件修改时间及文件类型。EXT2 文件系统中的每个文件用一个inode 来表示且每个inode 有唯一的编号。文件系统中所有的inode都被保存在inode 表中。 EXT2 目录仅是一个包含指向其目录入口指针的特殊文件（也用inode表示）。
对文件系统而言文件仅是一系列可读写的数据块。文件系统并不需要了解数据块应该放置到物理介质上什么位置，这些都是设备驱动的任务。无论何时只要文件系统需要从包含它的块设备中读取信息或数据，它将请求底层的设备驱动读取一个基本块大小整数倍的数据块。EXT2 文件系统将它所使用的逻辑分区划分成数据块组。每个数据块组将那些对文件系统完整性最重要的信息复制出来, 同时将实际文件和目录看作信息与数据块。为了发生灾难性事件时文件系统的修复，这些复制非常有必要。