minix文件系统

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1.minix总体介绍

        Linux最初使用是minix文件系统，后期的ex2文件系统，都是由minix文件系统升级而来，在minux中把对文件的管理抽象出了4个元对象，文件，超级块，目录项（并不只指目录也指文件项目），i节点。现如今的linux文件系统仍然使用这4个元对象管理文件系统，只不过其中的内容更加复杂。现在linux为了管理各种文件系统，把相应的操作函数都使用了函数指针分离，降低耦合性，抽象出各种文件系统公有的部分，其他部分进行了分离，因此学习minix文件系统有助于学习vfs虚拟文件系统。

2.minix存储结构说明

        minix系统储存结构如图所示，MINIX逻辑扇区跟磁盘扇区固定位1KB，其中各项目总体概要如下：

1. 引导块：固定1KB大小，如果不是引导设备则这里面数据一般为空，当然也可以添加自己想要的数据。
2. 超级块：整个磁盘的minix文件系统元信息或者说是统计信息，固定占用一块（1KB），统计有 i节点位图，逻辑块位图，i节点扇区大小，数据区个数等。
3. i节点位图：i节点位图，是1BIT位，表示占用1个i节点，默认 BIT位0 置位1不使用，因为在没有i节点可用的情况下，会返回0，所以0位保留不使用，BIT1表示第一个i节点是否使用，因此如果只用1个块表示i节点位图，最大能表示 （8 * 1024 – 1 = 8191 个i节点），一般第一个 i节点表示根i节点（根目录），每个目录和文件都至少存在一个i节点。
4. 逻辑块位图：逻辑块位图的每一位（除第0位，0位默认置1，因为没有数据块的时候返回0，所以保留0位）都表示数据区的数据块， BIT1表示第一个数据块。 
5. i节点：主要存放，本i节点表示的数据类型，本i节点占用的数据扇区索引，本i节点文件的访问权限，本i节点数据大小，当该i节点为文件夹类型的时候，i节点索引的数据区存放的是目录项。当i节点是文件类型的时候，该i节点索引的数据区存放的是文件数据。
6. 数据区：存放目录项或者文件数据。

各个块和目录项的数据结构：

1. 超级块数据结构
   1. c语言代码示例

      /* * minix super-block data on disk */ struct minix_super_block { __u16 s_ninodes; __u16 s_nzones; __u16 s_imap_blocks; __u16 s_zmap_blocks; __u16 s_firstdatazone; __u16 s_log_zone_size; __u32 s_max_size; __u16 s_magic; __u16 s_state; __u32 s_zones; };

   2. 详细解释
   3. 详细说明
      •  s_ninodes 表示设备上的 i 节点总数。
      • s_nzones 表示设备上以逻辑块为单位的总逻辑块数。
      • s_imap_blocks 和 s_zmap_blocks 分别表示 i 节点位图和逻辑块位图所占用的磁盘块数。s_firstdatazone 表示设备上数据区开始处占用的第一个逻辑块块号。
      • s_log_zone_size 是使用 2 为底的对数表示的每个逻辑块包含的磁盘块数。对于 MINIX 1.0 文件系统该值为 0，因此其逻辑块的大小就等于磁盘块大小，都是 1KB。
      • s_max_size 是以字节表示的最大文件长度，这里不超过 4GB。当然这个长度值将受到磁盘容量的限制。
      • s_magic 是文件系统魔幻数，用以指明文件系统的类型。对于 MINIX 1.0 文件系统，它的魔幻数是 0x137f。文件名长度为14是幻数为0x137F，文件名长度为30时幻术为0x138F。

        #define MINIX_SUPER_MAGIC 0x137F /* minix v1 fs, 14 char names */ #define MINIX_SUPER_MAGIC2 0x138F /* minix v1 fs, 30 char names */

   4. 仅在内存中使用的字段可以忽略，最新的linux系统使用minix已经不像这样存储了。
2. i节点数据结构
   1. c语言代码结构

      /* * This is the original minix inode layout on disk. * Note the 8-bit gid and atime and ctime. */ struct minix_inode { __u16 i_mode; __u16 i_uid; __u32 i_size; __u32 i_time; __u8 i_gid; __u8 i_nlinks; __u16 i_zone[9]; };

   2. 各部分含义
   3. 详细说明
           i_mode 字段用来保存文件的类型和访问权限属性。其比特位
      15-12
      用于保存文件类型，位
      11-9 保存 执行文件时设置的信息，位
      8-0
      表示文件的访问权限，见图
      12-5
      所示。
              文件中的数据存放在磁盘块的数据区中，而一个文件名则通过对应的 i 节点与这些数据磁盘块相联 系，这些盘块的号码就存放在
      i
      节点的逻辑块数组
      i_zone[]
      中。其中，
      i_zone[]
      数组用于存放
      i 节点对应文 件的盘块号。
      i_zone[0]
      到
      i_zone[6]
      用于存放文件开始的
      7 个磁盘块号，称为直接块。若文件长度小于等 于
      7K
      字节，则根据其
      i 节点可以很快就找到它所使用的盘块。若文件大一些时，就需要用到一次间接块 了（
      i_zone[7]
      ），这个盘块中存放着附加的盘块号。对于
      MINIX
      文件系统一个盘块中可以存放（
      1024 / 2） = 512
      个盘块号，因此可以寻址
      512
      个盘块。若文件还要大，则需要使用二次间接盘块（
      i_zone[8]）。二 次间接块的一级盘块的作用类似与一次间接盘块，因此使用二次间接盘块可以寻址
      512*512 个盘块。参 见图
      12-6
      所示。所以对于
      MINIX
      文件系统
      1.0 版来说，一个文件的最大长度为（7 + 512 + 512*512）= 262,663KB，刚好对应超级块里面的
      最大文件长度
      10 08 1C 00
      。

      

              另外，对于/dev/目录下的设备文件来说，它们并不占用磁盘数据区中的数据盘块，即它们文件的长 度是
      0
      。设备文件名的
      i
      节点仅用于保存其所定义设备的属性和设备号。设备号被存放在设备文件
      i 节点 的
      zone[0]
      中。这主要是在早期使用minix文件系统的linux，现在linux的 i 节点已经有专门表示设备号的变量：

      dev_t i_rdev;

              当所有 i
      节点都被使用时，查找空闲
      i
      节点的函数会返回值
      0
      ，因此，
      i
      节点位图最低比特位和
      i 节点 0 都闲置不用
      。
      i
      节点
      0
      的结构被初始化成全零，并在创建文件系统时将
      i
      节点
      0
      的比特位置位。

              这里需要注意 i 节点的 i_mode 变量， 类型信息保存在对应 i 节点的 i_mode 字段中，并使用其高 4 比特位来表示。文件权限信息也保存在对应 i 节点的 i_mode 字段中，使用该字段的低 9 比特位表示三组（用户 用户组 其他）权限。

      

   4. 仅在内存中使用的字段可以忽略，在新的linux系统中已做修改

   

3. 目录项数据结构
   1. 目录项c语言结构

      // 文件目录项结构。 struct dir_entry { unsigned short inode; // i 节点号。 char name[NAME_LEN]; // 文件名。NAME_LEN为30字节，因为幻数为0x138F };

   2. 说明：
      1. 在i结点类型为目录时，该i节点指定的数据区存放的数据为目录项。目录项可以是目录也可以是文件名字，具体由它指定的i节点类型指定。

          一个逻辑块可以放 1024/32 = 32 个目录项。有关文件的其它信息则被保存在该 i 节点号指定的 i 节点结构中，该结构中主要包括文件访问属性、宿主、长度、访问保存时间以及所在磁盘块等信息。每个 i 节点号的 i 节点都位于磁盘上的固定位置处。

3.minix实例分析

    在ubuntu上可以利用 mkfs.minix工具生成minix文件系统镜像：

dd if=/dev/zero of=minix.img bs=1KB count=32 mkfs.minix -1 minix.img

然后挂在镜像到test目录（test是自己创建的目录,挂载命令（sudo mount minix.img ./test）），在里面创建个文件 12345.txt 写入 “0”  ，创建文件夹 ceshi，并在文件夹 ceshi 里面创建文件 abcde.txt写入 “hello word!”

        然后取消挂载(命令：sudo umount test)，把镜像文件拷贝到windows系统，用winhex软件打开minix.img，按照上面的规定的数据分布可以观察磁盘上的超级块信息。

3.1. 超级块数据分析

在超级块中 i 节点总数：00 20        32 个i节点。

在超级块中第一个数据块：00 05  第5块开始时数据块。

在超级块中最大文件:10081C00

在超级块中总逻辑块数：00 1F        31个逻辑块。

                                                31=（31728+16）/1024

在超级块中i 节点位图所占块数 :00 01        1块。

3.2. i节点位图分析

       

 i节点位图 

在超级块中逻辑块位图所占块数:00 01        1块。

3.3. 数据块位图

数据块位图

1F-F8,从数据块算一共 26 块数据区（位0保留），已经使用了4块。

       逻辑块位图用于描述盘上每个数据盘块的使用情况。
除第 1 个比特位（位 0）以外，逻辑块位图中每个比特位依次代表盘上数据区中的一个逻辑块
。因此逻辑块位图的比特位 1 代表盘上数据区中第一个数据盘块，而非盘上的第一个磁盘块（引导块）。当一个数据盘块被占用时，则逻辑块位图中相应比特位 被置位。由于当所有磁盘数据盘块都被占用时查找空闲盘块的函数会返回
0 值，因此逻辑块位图最低比 特位（位
0
）闲置不用，并且在创建文件系统时会预先将其设置为
1
。

 使用 2 为底的对数表示的每个逻辑块包含的磁盘块数：对于 MINIX 1.0 文件系统该值为 0，因此其逻辑块的大小就等于磁盘块大小，都是 1KB。

s_state：0x00。

s_zones：0x0000。

3.4. i节点区

 节点

        每个i节点占用32个字节

3.5. 数据区分析

        如果i节点是文件，则i节点指定的数据区位存放的是数据，如果i节点是目录则i接地那指定的数据区存放的是目录项。

根节点数据：目录项

数据

        从目录项可以查出 12345.txt  是2号节点，从2号节点可以查出数据区为6也就是 6*1024=6144地址处，在该地址处可以查出实际数据 0.

4.文件查找过程

        如果从一个文件在磁盘上的分布来看，对于某个文件数据块信息的寻找过程可用图 12-9 表示（其中 未画出引导块、超级块、
i
节点和逻辑块位图）。

         在每个目录中还包含两个特殊的文件目录项，它们的名称分别固定是 ‘.’ 和 ‘..’。’.’目录项中给出了当前目录的 i 节点号，而‘..’目录项中给出了当前目录父目录的 i 节点号。因此在给出一个相对路径名时文 件系统就可以利用这两个特殊目录项进行查找操作。例如要查找../kernel/Makefile，就可以首先根据当前 目录的‘..’目录项得到父目录的 i 节点号，然后按照上面描述过程进行查找操作。

         对于每个目录文件的目录项，其 i 节点中的链接计数字段值也表明连接到该目录的目录项数。因此 每个目录文件的链接计数值起码为 2。其中一个是包含目录文件的目录项链接，另一个是目录中‘..’目录 项的链接。例如我们在当前目录中建立一个名为 mydir 的子目录，那么在当前目录和该子目录中的链接 示意图见图 12-10 所示。

        图中示出了我们在 i 节点号为 56 的目录中建立了一个 mydir 子目录，该子目录的 i 节点号是 123。 在 mydir 子目录中的‘.’目录项指向自己的 i 节点 123，而其‘..’目录项则指向其父目录的 i 节点 56。可见， 由于一个目录的目录项本身总是会有两个链接，若其中再包含子目录，那么父目录的 i 节点链接数就等 于 2+子目录数，因为子目录的 ‘..’目录指向父目录。

        文件查找时，首先根据路径查找目录项，从1号节点根节点开始查找，直到找到数据的索引节点，根据索引节点直接查出实际的数据位置，到该位置读取数据。

5.总结

总结：文件节点数据区存放指向文件数据的指针，目录项节点数据区存放目录的目录项和文件的目录项。目录的目录项和文件的目录项都为32字节（当minix版本为0x138F时，1块数据区可以存   1024 /32 = 32 个目录项）。

        在linux最初的时候就是使用的minix文件系统，学习minix文件系统有助于理解，linux VFS虚拟文件系统，超级块，目录项，文件，i节点。

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