背景是這樣的：他用 cp 拷貝了一個 100 G 的文件，竟然一秒不到就拷貝完成了！用 ls 看一把文件，顯示文件確實(shí)是 100 G。sh-4.4#?ls?-lh??
-rw-r--r--?1?root?root?100G?Mar??6?12:22?test.txt
sh-4.4#?time?cp?./test.txt?./test.txt.cp??
??
real?0m0.107s??
user?0m0.008s??
sys?0m0.085s
一個 SATA 機(jī)械盤的寫能力能到 150 M/s （大部分的機(jī)械盤都是到不了這個值的）就算非常不錯了，正常情況下，copy 一個 100G 的文件至少要 682 秒（100 G/ 150 M/s），也就是 11 分鐘。實(shí)際情況卻是 cp 一秒沒到就完成了工作，驚呆了，為啥呢？更詭異的是：他的文件系統(tǒng)只有 40 G，為啥里面會有一個 100 G的文件呢？我讓他先用 du 命令看一下，卻只有 2M ，根本不是 100G，這是怎么回事？sh-4.4#?du?-sh?./test.txt??
2.0M?./test.txt
sh-4.4#?stat?./test.txt??
??File:?./test.txt??
??Size:?107374182400?Blocks:?4096???????IO?Block:?4096???regular?file??
Device:?78h/120d?Inode:?3148347?????Links:?1??
Access:?(0644/-rw-r--r--)??Uid:?(????0/????root)???Gid:?(????0/????root)??
Access:?2021-03-13?12:22:00.888871000?+0000??
Modify:?2021-03-13?12:22:46.562243000?+0000??
Change:?2021-03-13?12:22:46.562243000?+0000??
?Birth:?-
同事問道：“文件大小和實(shí)際物理占用，這兩個竟然不是相同的概念 ！為什么是這樣？”“看來，我們必須得深入文件系統(tǒng)才能理解了，來，我給你好好講講?！?/section>
文件系統(tǒng)聽起來很高大上，通俗話就用來存數(shù)據(jù)的一個容器而已，本質(zhì)和你的行李箱、倉庫沒有啥區(qū)別，只不過文件系統(tǒng)存儲的是數(shù)字產(chǎn)品而已。我有一個視頻文件，我把這個視頻放到這個文件系統(tǒng)里，下次來拿，要能拿到我完整的視頻文件數(shù)據(jù)，這就是文件系統(tǒng)，對外提供的就是存取服務(wù)。存行李的時(shí)候，是不是要登記一些個人信息？對吧，至少自己名字要寫上?？赡苓€會給你一個牌子，讓你掛手上，這個東西就是為了標(biāo)示每一個唯一的行李。取行李的時(shí)候，要報(bào)自己名字，有牌子的給他牌子，然后工作人員才能去特定的位置找到你的行李。劃重點(diǎn)：存的時(shí)候必須記錄一些關(guān)鍵信息（記錄 ID、給身份牌），取的時(shí)候才能正確定位到。回到我們的文件系統(tǒng)，對比上面的行李存取行為，可以做個簡單的類比。上面的對應(yīng)并不是非常嚴(yán)謹(jǐn)，僅僅是幫助大家理解文件系統(tǒng)而已，讓大家知道其實(shí)文件系統(tǒng)是非常樸實(shí)的一個東西，思想都來源于生活。現(xiàn)在思考文件系統(tǒng)是怎么管理空間的？如果，一個連續(xù)的大磁盤空間給你使用，你會怎么使用這段空間呢？直觀的一個想法，我把進(jìn)來的數(shù)據(jù)就完整的放進(jìn)去。這種方式非常容易實(shí)現(xiàn)，屬于眼前最簡單，以后最麻煩的方式。因?yàn)闀斐珊芏嗫斩矗髅鬟€有很多空間位置，但是由于整個太大，形狀不合適（數(shù)據(jù)大?。?，哪里都放不下。因?yàn)槟阋乓粋€完整的空間。怎么改進(jìn)？有人會想，既然整個放不進(jìn)去，那就剁碎了唄。這里塞一點(diǎn)，那里塞一點(diǎn)，就塞進(jìn)去了。對，思路完全正確。改進(jìn)的方式就是切分，把空間按照一定粒度切分。每個小粒度的物理塊命名為 Block，每個 Block 一般是 4K 大小，用戶數(shù)據(jù)存到文件系統(tǒng)里來自然也是要切分，存儲到磁盤上各個角落。圖示標(biāo)號表示這個完整對象的 Block 的序號，用來復(fù)原對象用的。隨之而來又有一個問題：你光會切成塊還不行，取文件數(shù)據(jù)的時(shí)候，還得把它們給組合起來才行。所以，要有一個表記錄文件對應(yīng)所有 Block 的位置，這個表被文件系統(tǒng)稱為inode。好，我們現(xiàn)在來看看inode，直觀地感受一下：這個 inode 有文件元數(shù)據(jù)和 Block 數(shù)組（長度是 15），數(shù)組中前兩項(xiàng)指向 Block 3 和 Block 11，表示數(shù)據(jù)在這兩個塊中存著。你肯定會意識到：Block 數(shù)組只有 15 個元素，每個 Block 是 4K， 難道一個文件最大只能是 15 * 4K = 60 K？最簡單的辦法就是：把這個 Block 數(shù)組長度給擴(kuò)大！比如我們想讓文件系統(tǒng)最大支持 100G 的文件，Block 數(shù)組需要這么長：(10010241024)/4 = 26214400Block 數(shù)組中每一項(xiàng)是 4 個字節(jié)，那就需要 (26214400*4)/1024/1024 = 100M。為了支持 100G 的文件，我們的 Block 數(shù)組本身就得 100M ！并且對每個文件都是如此 ！即使這個文件只有 1K！?這將是巨大浪費(fèi)！肯定不能這么干，解決方案就是間接索引，按照約定，把這 15 個槽位分作 4 個不同類別來用：前 12 個槽位（也就是 0 - 11 ）我們成為直接索引；
第 13 個位置，我們稱為 1 級索引；
第 14 個位置，我們稱為 2 級索引；
第 15 個位置，我們稱為 3 級索引。
直接索引：能存 12 個 block 編號，每個 block 4K，就是 48K，也就是說，48K 以內(nèi)的文件，前 12 個槽位存儲編號就能完全 hold 住。一級索引：也就是說這里存儲的編號指向的 block 里面存儲的也是 block 編號，里面的編號指向用戶數(shù)據(jù)。一個 block 4K，每個元素 4 字節(jié)，也就是有 1024 個編號位置可以存儲。所以，一級索引能尋址 4M（1024 * 4K）空間。二級索引：二級索引是在一級索引的基礎(chǔ)上多了一級而已，換算下來，有了 4M 的空間用來存儲用戶數(shù)據(jù)的編號。所以二級索引能尋址 4G（4M/4 * 4K）的空間。三級索引：三級索引是在二級索引的基礎(chǔ)上又多了一級，也就是說，有了 4G 的空間來存儲用戶數(shù)據(jù)的 block 編號。所以二級索引能尋址 4T（4G/4 * 4K）的空間。所以，在這種文件系統(tǒng)（如ext2）上，通過這種間接塊索引的方式，最大能支撐的文件大小 = 48K + 4M + 4G + 4T ，約等于 4 T。在不超過 12 個數(shù)據(jù)塊的小文件的尋址是最快的，訪問文件中的任意數(shù)據(jù)理論只需要兩次讀盤，一次讀 inode，一次讀數(shù)據(jù)塊。訪問大文件中的數(shù)據(jù)則需要最多五次讀盤操作：inode、一級間接尋址塊、二級間接尋址塊、三級間接尋址塊、數(shù)據(jù)塊。接下來我們要寫入一個奇怪的文件，這個文件很大，但是真正的數(shù)據(jù)只有 8K：在 [0 , 4K] 這位置有 4K 的數(shù)據(jù)。在 [1T , 1T+4K] 處也有4K數(shù)據(jù)。中間沒有數(shù)據(jù)，這樣的文件該如何寫入硬盤？創(chuàng)建一個文件，這個時(shí)候分配一個 inode；
在 [0 , 4K] 的位置寫入 4K 數(shù)據(jù)，這個時(shí)候只需要 一個 block，把這個編號寫到 block[0]?這個位置保存起來；
在 [1T , 1T+4K] 的位置寫入 4K 數(shù)據(jù)，這個時(shí)候需要分配一個 block，因?yàn)檫@個位置已經(jīng)落到三級索引才能表現(xiàn)的空間了，所以需要還需要分配出 3 個索引塊；
寫入完成，close 文件。
這個時(shí)候，我們的文件看起來是超大文件，size 等于 1T + 4K ，但里面實(shí)際的數(shù)據(jù)只有 8K，位置分別是 [0 , 4K ] ，[1T , 1T+4K]。由于沒寫數(shù)據(jù)的地方不用分配物理 block 塊，所以實(shí)際占用的物理空間只有 8K。重點(diǎn)：文件 size 只是 inode 里面的一個屬性，實(shí)際物理空間占用則是要看用戶數(shù)據(jù)放了多少個 block ，沒寫數(shù)據(jù)的地方不用分配物理 block 塊。這樣的文件其實(shí)就是稀疏文件， 它的邏輯大小和實(shí)際物理空間是不相等的。所以當(dāng)我們用 cp 命令去復(fù)制一個這樣的文件時(shí)，那肯定迅速就完成了。好，我們再深入思考下，文件系統(tǒng)為什么能做到這一點(diǎn)？首先，最關(guān)鍵的是把磁盤空間切成離散的、定長的 block 來管理；
然后，通過 inode 能查找到所有離散的數(shù)據(jù)（保存了所有的索引）；
最后，實(shí)現(xiàn)索引塊和數(shù)據(jù)塊空間的后分配。
我把這點(diǎn)小知識給小伙伴講了一小時(shí)，看到他感動欲哭的表情，我覺得他學(xué) fei 了，非常滿意。
