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36 Linux文件系统（二）：Linux如何存放文件？
你好，我是LMOS。
通过上节课的学习，我们已经对Ext3文件系统的结构非常了解了。这种了解究竟正确与否，还是需要通过写代码来验证。这节课我会带你读取Ext3文件系统中的文件，帮你加深对Ext3的理解。
我假定你已经学会了怎么建立一个虚拟硬盘并将其格式化为Ext3文件系统。如果记不清了，请回到[上节课]复习一下。课程的配套代码，你需要从这里下载。
打开虚拟硬盘
想要从虚拟硬盘读取文件，首先要做的当然是打开虚拟硬盘。但我们的硬盘是个文件，所以这就变成了打开了一个文件，然后对文件进行读写就行。这些操作我们已经非常熟悉了，不过多展开。
这次我们不用read命令来读取虚拟硬盘文件数据，因为那样做还需要处理分配临时内容和文件定位的问题，操作比较繁琐。这里我们直接用mmap将整个文件映射到虚拟文件中，这样就能像访问内存一样很方便地访问文件了。
下面我们首先实现mmap映射读取文件这个功能，代码如下所示：
int init_in_hdfile() { struct stat filestat; size_t len = 0; void* buf = NULL; int fd = -1; // 打开虚拟硬盘文件 fd = open("./hd.img", O_RDWR, S_IRWXU|S_IRWXG|S_IRWXO); if(fd < 0) { printf("打开文件失败\n"); return -1; } // 获取文件信息，比如文件大小 fstat(fd, &filestat); // 获取文件大小 len = filestat.st_size; // 映射整个文件到进程的虚拟内存中 buf = mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if(buf == NULL) { printf("映射文件失败\n"); return -2; } // 保存地址 长度大小 文件句柄 到全局变量 hdaddr = buf; hdsize = len; hdfilefd = fd; return 0; }
我们把打开硬盘文件以及将其映射到进程的虚拟内存中的功能，封装在init_in_hdfile函数中，并把映射返回的地址、文件长度、文件句柄保存到全局变量中，以便后面使用。
获取Ext3文件系统超级块
好，作为硬盘的文件已经完成映射，下面我们就来获取其中的Ext3文件系统超级块。
Ext3文件系统超级块固定存放在硬盘2号扇区的开始地址，硬盘扇区从0开始计数。我们需要把扇区号转换成文件中对应的偏移量，然后把这个偏移量转换成文件映射虚拟内存中的地址，才能访问到正确的数据。
下面我们开始写代码，如下所示：
// 将扇区号转换成文件映射的虚拟内存地址 void* sector_to_addr(__u64 nr) { return (void*)((__u64)hdaddr + (nr * SECTOR_SIZE)); } // 将储存块号转换成文件映射的虚拟内存地址 void* block_to_addr(__u64 nr) { return (void*)((__u64)hdaddr + (nr * block_size)); } // 获取超级块的地址 struct ext3_super_block* get_superblock() { return (struct ext3_super_block*)sector_to_addr(2); }
Ext3的超级级块结构，定义在工程目录下的ext3fs.h头文件中。代码的get_superblock函数中正是通过sector_to_addr函数对第二号扇区做了转换，之后还加上了映射文件的首地址，才能访问硬盘文件中的超级块。
我们可以调用dump_super_block函数，打印超级块的一些信息，如下图所示：
从上面的截图，我们能知道文件系统的全局信息，也就是该文件系统有多少个储存块、inode、储存块大小，每个块组多少个储存块等相关信息。
获取Ext3文件系统块组描述符表
我们知道，Ext3文件系统将硬盘分区划分成一个个块组，在超级块的下一个储存块中保存着块组描述符表。如果超级块在0号储存块中，块组描述符表就是1号储存块中；如果超级块在1号储存块，块组描述符表就在2号储存块中。
一个块组中有储存块位图块，有inode节点位图块，也有inode节点表。要获取Ext3文件系统块组描述符表，我们只要知道它所在的储存块，就能读取其中的信息。
下面我们用代码实现这一步：
void get_group_table(struct ext3_group_desc** outgtable, int* outnr ) { // 计算总块组数 int gnr = super->s_blocks_count / super->s_blocks_per_group; // 获取块组描述表的首地址 struct ext3_group_desc* group = (struct ext3_group_desc* ) block_to_addr(2); *outgtable = group; *outnr = gnr; return; }
以上获取块组描述符表的函数，我们可以通过参数，返回两个块组描述符表的首地址和个数。
这里我已经为你写好了dump_all_group函数，你只要调用它，就可以直接获取块组描述符表信息了。
接下来我们看看打印出来的块组描述符表信息，如下所示：
获取Ext3文件系统根目录
要想在文件系统中读取文件，就必须从其根目录开始，一层一层查找，直到找到文件的inode节点。
可是根目录在哪里呢？它就在第一个块组中inode节点表中的第2个inode，也就是根目录的inode节点，这个inode节点对应的数据块中储存的目录项数据。目录项可以指向一个目录，也可以指向一个文件，就这样一层层将目录或者文件组织起来了。
下面我们就来写代码实现这一步，如下所示：
// 获取根目录的inode的地址 struct ext3_inode* get_rootinode() { // 获取第1个块组描述符 struct ext3_group_desc* group = (struct ext3_group_desc* ) block_to_addr(2); // 获取该块组的inode表的块号 __u32 ino = group->bg_inode_table; // 获取第二个inode struct ext3_inode* inp = (struct ext3_inode* )((__u64)block_to_addr(ino)+(super->s_inode_size1)); return inp; } // 获取根目录的开始的数据项的地址 struct ext3_dir_entry get_rootdir() { // 获取根目录的inode struct ext3_inode* inp = get_rootinode(); // 返回根目录的inode中第一个数据块的地址，就是根目录的数据 return (struct ext3_dir_entry*)block_to_addr(inp->i_block[0]); }
上面代码中有两个函数，一个是获取根目录inode的地址，有了它才能获取根目录的数据，由于我们的文件系统没有太多目录和文件，所以只用一块储存块就能放下所有的目录项目。
我已经为你写好了代码，用于显示根目录下所有的目录和文件，现在你只要调用dump_dirs函数可以了，如下所示：
由上可知，根目录下有5个子目录，分别是：.、…、lost+found、ext3fs、info。ext3fs和info是我主动建立的，用于测试。我还在ext3fs目录下建立了一个ext3.txt文件，并在其中写入了“Hello EXT3 File System!!”数据，下面我们就去读取它的文件数据。
获取Ext3文件系统文件
现在我们要读取Ext3文件系统中的/ext3fs/ext3.txt文件，但是我们必须要从根目录开始，查找ext3fs目录对应inode节点。然后在ext3fs目录数据中，找到ext3.txt文件对应的inode节点，读取该inode中直接或者间接地址块中块号对应的储存块，那里就是文件的真实数据。
目前我们已经能读取根目录的数据了，只要再操作两步，就可以查到ext3.txt对应的inode。
下面我们开始写代码，如下所示：
// 判定文件和目录 struct ext3_dir_entry* dir_file_is_ok(struct ext3_dir_entry* dire, __u8 type, char* name) { // 比较文件和目录类型和名称 if(dire->file_type == type) { if(0 == strncmp(name, dire->name, dire->name_len)) { return dire; } } return NULL; } // 查找一个块中的目录项 struct ext3_dir_entry* find_dirs_on_block(void* blk, size_t size, __u8 type, char* name) { struct ext3_dir_entry* dire = NULL; void* end = (void*)((__u64)blk + size); for (void* dir = blk; dir < end;) { // 判定是否找到 dire = dir_file_is_ok((struct ext3_dir_entry*)dir, type, name); if(dire != NULL) { return dire; } // 获取下一个目录项地址 dir = get_next_dir_addr((struct ext3_dir_entry*)dir); } return NULL; } // 在一个目录文件中查找目录或者文件 struct ext3_dir_entry* find_dirs(struct ext3_inode* inode, __u8 type, char* name) { struct ext3_dir_entry* dir = NULL; __s64 filesize = inode->i_size; // 查找每个直接块 for (int i = 0; (i < (EXT3_N_BLOCKS - 3))&&(filesize > 0); i++, filesize -= (__s64)block_size) { // 查找一个储存块 dir = find_dirs_on_block(block_to_addr(inode->i_block[i]), (size_t)filesize, type, name); if(dir != NULL) { return dir; } } return NULL; }
上述代码中的三个函数的作用就是查找我们需要的目录和文件。具体是这样的：find_dirs用来查找整个inode；find_dirs_on_block用来查找inode中一个储存块；dir_file_is_ok用于判定每个查找到的目录项，如果找到就返回对应的地址，否则返回NULL。
下面我们在read_file函数中调用上述函数，如下所示：
void read_file() { struct ext3_dir_entry* dir = NULL; // 查找ext3fs目录 dir = find_dirs(rootinode, 2, "ext3fs"); if(dir == NULL) { printf("没有找到ext3fs目录\n"); return; } // 显示ext3fs目录的目录项信息 dump_one_dir(dir); // 查找ext3fs目录下的ext3.txt文件 dir = find_dirs(get_inode(dir->inode), 1, "ext3.txt"); if(dir == NULL) { printf("没有找到ext3.txt\n"); return; } // 显示ext3.txt文件的目录项信息 dump_one_dir(dir); return; }
以上代码的作用是这样的：第一步查找ext3fs目录，第二步查找ext3fs目录下的ext3.txt文件，并把它们相应的信息显示出来。- 我们把程序运行一下，如下所示：
上图中已经显示了ext3.txt文件的inode号，根据这个inode号，我们就能找到对应inode节点，下面我们进一步写代码读取文件中的数据。代码如下所示：
void dump_inode_data(struct ext3_inode* inode) { // 获取文件大小 __s64 filesize = inode->i_size; printf("----------------------------------------\n"); // 展示文件inode的元信息 dump_inode(inode); printf("----------------------------------------\n"); for (int i = 0; (i < (EXT3_N_BLOCKS - 3))&&(filesize > 0); i++, filesize -= (__s64)block_size) { // 读取并打印每个储存块中数据内部 printf("%s\n", (char*)block_to_addr(inode->i_block[i])); } return; }
void read_file() { struct ext3_dir_entry* dir = NULL; // 查找ext3fs目录 dir = find_dirs(rootinode, 2, "ext3fs"); if(dir == NULL) { printf("没有找到ext3fs目录\n"); return; } // 显示ext3fs目录的目录项信息 dump_one_dir(dir); // 查找ext3fs目录下的ext3.txt文件 dir = find_dirs(get_inode(dir->inode), 1, "ext3.txt"); if(dir == NULL) { printf("没有找到ext3.txt\n"); return; } // 显示ext3.txt文件的目录项信息 dump_one_dir(dir); // 显示ext3.txt文件的内容信息 dump_inode_data(get_inode(dir->inode)); return; }
在上面的dump_inode_data函数中，我之所以能用printf打印文件内存，是因为我清楚ext3.txt文件存放写入的是文本数据。如果是其它别的数据就不能这样做了。- 除了打印文件内容，我们还展示了文件元信息。让我们运行一下，看看结果：
从上图，我们已经清楚地看到文件大小、创建时间、所属用户、占用哪个储存块，最后还打印出了文件的内容——Hello EXT3 File System!!，这与我们之前写入的数据分毫不差。到这里，我们已经验证了Ext3文件系统结构，也完成了读文件信息的各类实践。
重点回顾
只要认真学完这两节课，我相信你对Ext3文件系统已经有了更深入的了解，硬件上的数据修改是完全可以做到的，成为数据修复大师也指日可待。不过，不能利用这些知识去干坏事哦。
今天，为了验证上节课学到的一系列Ext3结构，我们通过写代码的方式，在文件系统中读取了文件数据。我们通过获取超级块、块组的描述符表，一步步完整地把文件内容读取出来，打印在屏幕上。对比之下，这正好跟我们先前输入的内容是一样的，也就验证了Ext3文件系统结构。
这节课的导图如下所示，供你参考：
思考题
请问inode号是对应于硬盘分区全局，还是相对于块组的？
进入下个章节之前，希望你可以留言说说学习的感受，或者向我提问。如果觉得课程还不错，别忘了分享给身边更多朋友。