1.1.2 操作系统层面的文件系统

上文从普通用户的角度介绍了文件系统。其目的是为用户提供一个方便管理文件（数据）的方式。而从操作系统角度来说，文件系统则主要实现对硬件资源的管理，也就是对磁盘资源的管理。

任何技术的出现都是为了解决问题，文件系统也是为了解决某些问题。那么文件系统是为了解决什么问题呢？

文件系统解决的是对磁盘空间使用的问题。通常一台计算机配置一个磁盘，而磁盘的空间就是一个线性空间，就好比一个非常大的数组。然而在一个操作系统上会运行很多软件，如视频软件、浏览器、音频软件和文本编辑软件等。这些软件通常都要使用磁盘空间。如果这些软件都直接使用磁盘空间则会有如下很多问题。

（1）磁盘空间的访问会存在冲突。由于没有软件统一管理磁盘空间，各个软件各自为政，那么在访问磁盘空间时就有可能存在冲突的情况。

（2）磁盘空间的管理会非常复杂。由于各种不同格式的文件，以及不同大小的文件，没有文件系统将导致磁盘空间很难管理。

在计算机领域中有一个非常有用的定律，任何复杂的问题都可以通过分层来解决。文件系统就是这样一种思路。操作系统实现了文件系统，而文件系统是应用程序与磁盘驱动程序之间的一层软件。

文件系统对下实现了对磁盘空间的管理，对上为用户（应用程序）呈现层级数据组织形式和统一的访问接口。

基于文件系统，用户（应用程序）只需要创建、删除或读取文件即可，他们并不需要关注磁盘空间的细节，所有磁盘空间管理相关的动作则由文件系统来处理。文件系统所处的位置如图1-13所示。

其实文件系统不仅可以构建在磁盘上，它还可以构建在任何块设备上，甚至网络上。在Linux中，最常见的块设备包括裸磁盘、分区、LVM卷和RAID等。我们可以对上述任何块设备进行格式化，构建文件系统。Windows中的文件系统也是可以构建在其卷组上的。

文件系统不仅仅可以构建在块设备上，甚至可以构建在一个普通的文件上。磁盘是一个线性空间，而文件也是一个线性空间。因此，在一个文件上构建文件系统是没有任何问题的。这也是我们在后面学习文件系统用到的一个便捷方法。

下面先简单看一下如何在一个文件上构建文件系统。首先要有一个内容全为0的文件。生成方法如下：

执行命令后，查看一下当前目录，可以看到生成了一个容量为1.0MB的新文件，如图1-14所示。

然后对该文件进行格式化。例如，构建一个Ext2文件系统，并对该文件系统进行格式化，具体方法及结果如图1-15所示。

从执行命令的结果可以看出，Ext2文件系统已经完成格式化。如何验证一下呢？一个简单的方法是使用dumpe2fs命令，该命令可以获取文件系统的描述信息。另外一个复杂的方法是借助Linux的循环设备（回环设备）。通过该循环设备可以将一个文件虚拟成块设备，然后将该块设备挂载到目录树中。具体需要执行的命令如下：

执行完成上述命令后，如果没有出现错误，且可以看到如图1-16所示的目录内容，则说明Ext2文件系统格式化成功。当然，为了进一步的验证，可以向该目录拷贝文件。

综上所述，文件系统实现了对线性存储空间的管理，这里的线性存储空间既可以是磁盘等块设备，还可以是一个文件。