你手里有一块硬盘，大小为1T。你还有一堆文件。这些文件在硬盘看来，就是一堆二进制数据而已。你准备把这些文件存储在硬盘上，并在需要的时候读取出来。要设计怎样的软件，才能更方便地在硬盘中读写这些文件呢？
首先我不想和复杂的扇区，设备驱动等细节打交道，因此我先实现了一个简单的功能，将硬盘按逻辑分成一个个的块，并可以以块为单位进行读写。每个块就定义为两个物理扇区的大小，即1024字节，就是1KB啦。硬盘太大不好分析，我们就假设你的硬盘只有1MB，那么这块硬盘则有1024个块。OK，我们开始存文件啦！准备一个文件，随便选个块放进去，3号块吧！成功！首战告捷！
再存一个文件！诶？发现问题了，万一这个文件也存到了3号块，不是把原来的文件覆盖了么？不行，得有一个地方记录，现在可使用的块有哪些，像这样。
块0：未使用
块1：未使用
块2：未使用
块3：已使用
块4：未使用
...
块1023：未使用
那我们就用0号块，来记录所有块的使用情况吧！怎么记录呢？位图！那我们给块0起个名字，叫块位图，之后这个块0就专门用来记录所有块的使用情况，不再用来存具体文件了。当我们再存入一个新文件时，只需要在块位图中找到第一个为0的位，就可以找到第一个还未被使用的块，将文件存入。同时，别忘了把块位图中的相应位置改成1。完美！
下面，我们尝试读取刚刚的文件。咦？又遇到问题了，我怎么找到刚刚的文件呢？根据块号么？这也太蠢了，就像你去书店找书，店员让你提供书的编号，而不是书名，显然不合理。因此我们给每个文件起一个名字，叫文件名，通过它来寻找这个文件。那必然就要有一个地方，记录文件名与块号的对应关系，像这样。
葵花宝典.txt：3号块
高量期末复习资料.mp4：5号块
中科院物理所的秘密.pdf：10号块
...
别急，既然都要选一个地方记录文件名称了，不妨多记录一点我们关心的信息吧，比如文件大小、文件创建时间、文件权限等。这些东西自然也要保存在硬盘上，我们选择用一个固定大小的空间，来表示这些信息，多大空间呢？128字节吧。为啥是128字节呢？我乐意。我们将这128字节的结构体，叫做一个inode。
之后，我们每存入一个新的文件，不但要占用一个块来存放这个文件本身，还要占用一个inode来存放文件的这些元信息，并且这个inode的所在块号这个字段，就指向这个文件所在的块号。如果一个inode为128字节，那么一个块就可以容纳8个inode，我们可以将这些inode编上号。如果你觉得inode数不够，也可以用两个或者多个块来存放inode信息，但这样用于存放数据的块就少了，这就看你自己的平衡了。
同样，和块位图管理块的使用情况一样，我们也需要一个inode位图，来管理inode的使用情况。我们就把inode位图，放在1号块吧！同时，我们把inode信息，放在2号块，一共存8条inode，这样我们的2号块就叫做inode表。现在，我们的文件系统结构，变成了下面这个样子。
注意：块位图是管理可用的块，每一位代表一个块的使用与否。inode位图管理的是一条一条的inode，并不是inode所占用的块，比如上图中有8条inode，则inode位图中就有8位是管理他们的使用与否。现在，我们的文件很小，一个块就能容下。但如果需要两个块、三个块、四个块呢？很简单，我们只需要采用连续存储法，而inode则只记录文件的第一个块，以及后面还需要多少块，即可。
这种办法的缺点就是：容易留下大大小小的空洞，新的文件到来以后，难以找到合适的空白块，空间会被浪费。看来这种方式不行，那怎么办呢？既然在inode中记录了文件所在的块号，为什么不扩展一下，多记录几块呢？原来在inode中只记录了一个块号，现在扩展一下，记录8个块号！而且这些块不需要连续。嗯，这是个可行的办法！
但是这也仅仅能表示8个块，能记录的最大文件是8K（记住，一个块是1K）,现在的文件轻松就超过这个限制了，这怎么办？很简单，我们可以让其中一个块，作为间接索引。这样瞬间就有263个块（多了256-1个块）可用了，这种索引叫一级间接索引。如果还嫌不够，就再弄一个块做一级间接索引，或者做二级间接索引（二级间接索引则可以多出256*256-1个块）。我们的文件系统，暂且先只弄一个一级间接索引。
硬盘一共才1024个块，一个文件263个块够大了。再大了不允许，就这么任性，爱用不用。
好了，现在我们已经可以保存很大的文件了，并且可以通过文件名和文件大小，将它们准确读取出来啦！
但我们得精益求精，我们再想想看这个文件系统有什么毛病。比如，inode数量不够时，我们是怎么得知的呢？是不是需要在inode位图中找，找不到了才知道不够用了？同样，对于块数量不够时，也是如此。要是有个全局的地方，来记录这一切，就好了，也方便随时调整，比如这样
inode数量
空闲inode数量
块数量
空闲块数量
那我们就再占用一个块来存储这些数据吧！由于他们看起来像是站在上帝视角来描述这个文件系统的，所以我们把它放在最开始的块上，并把它叫做超级块，现在的布局如下。我们继续精益求精。现在，块位图、inode位图、inode表，都是是固定地占据这块1、块2、块3这三个位置。假如之后inode的数量很多，使得inode表或者inode位图需要占据多个块，怎么办？
或者，块的数量增多（硬盘本身大了，或者每个块变小了），块位图需要占据多个块，怎么办？程序是死的，你不告诉它哪个块表示什么，它可不会自己猜。很简单，与超级块记录信息一样，这些信息也选择一个块来记录，就不怕了。那我们就选择紧跟在超级块后面的1号块来记录这些信息吧，并把它称之为块描述符。当然，这些所在块号只是记录起始块号，块位图、inode位图、inode表分别都可以占用多个块。
好了，大功告成！
现在，我们再尝试存入一批文件。
葵花宝典.txt
高量期末复习资料.mp4
赘婿1.mp4
赘婿2.mp4
赘婿3.mp4
赘婿4.mp4
中科院物理所的秘密.pdf
诶？这看着好不爽，所有的文件都是平铺开的，能不能拥有层级关系呢？比如这样
葵花宝典.txt
高量
期末复习资料.mp4
赘婿
赘婿1.mp4
赘婿2.mp4
赘婿3.mp4
赘婿4.mp4
中科院物理所
的秘密.pdf
我们将葵花宝典.txt这种称为普通文件，将赘婿这种称为目录文件，如果要访问赘婿1.mp4，那全文件名要写成赘婿/赘婿1.mp4。如何做到这一点呢？那我们又得把inode结构拿出来说事了。此时需要一个属性来区分这个文件是普通文件，还是目录文件。缺什么就补什么嘛，我们已经很熟悉了，专门加一个4字节，来表示文件类型。
如果是普通文件，则这个inode所指向的数据块仍然和之前一样，就是文件本身原封不动的内容。但如果是目录文件，则这个inode所指向的数据块，就需要重新规划了。这个数据块里应该是什么样子呢？可以是一个一个指向不同inode的紧挨着的结构体，比如这样。这样先通过赘婿这个目录文件，找到所在的数据块。再根据这个数据块里的一个个带有inode信息的结构体，找到这个目录下的所有文件。完美！
不过这样的话，你想想看，如果想要查看一下赘婿这个目录下的所有文件（比如ll命令），将文件名和文件类型都展示出来，怎么办呢？就需要把一个个结构体指向的inode从inode表中取出，再把文件名和文件类型取出，这很是浪费时间。而让用户看到一个目录下的所有文件，又是一个极其常见的操作。所以，不如把文件名和文件类型这种常见的信息，放在数据块中的结构体里吧。
同时，inode结构中的文件名，好像就没啥用了，这种变长的东西放在这种定长的结构中本身就很讨厌，早就想给它去掉了。而且还能给其他信息省下空间，比如文件所在块的数组，就能再多几个了。太好了，去掉它！
OK，大功告成，现在我们就可以给文件分门别类放进不同目录下了，还可以在目录下创建目录，无限套娃！
现在的文件系统，已经比较完善了，只是还有一点不太爽。我们访问到一个目录下，可以很舒服地看到目录里的文件，然后再根据名称访问这个目录下的文件或者目录，整个过程都是一个套路。但是，最上层的目录下的所有文件，即根目录，现在仍然需要通过遍历所有的inode来获得，能不能和上面的套路统一呢？答案非常简单，我们规定，inode表中的0号inode，就表示根目录，一切的访问，就从这个根目录开始！
好了，这回没有然后了！我们最后来欣赏下我们的文件系统架构。你是不是觉得这没啥了不起的。但这个破玩意，它就叫文件系统。