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什麼是位圖
位圖（bitmap）的定義
- 維基百科中關於位圖的介紹：
一種數據結構，表明了有限域中的稠集（dense set），每個元素至少出現一次，沒有其餘的數據和元素相關聯。在索引、數據壓縮等方面有普遍應用。linux
- 本身的理解
位圖就是按位(bit)來記錄、索引某個對象狀態的圖表(map)，即用每一位（bit）來存放每個對象的某種狀態（例如分別用0和1表示的話，能夠表示同一對象的兩種狀態）。
這在數據規模大、而數據狀態又不是不少的狀況下，用來索引判斷某個數據的狀態（如存不存在、有沒有被使用等）很方便。數組
Linux內核中的位圖
位圖接口的聲明
位圖在Linux內核中被大量使用。下面的源代碼文件包含這些位圖結構的通用接口：數據結構
- lib/bitmap.c
- include/linux/bitmap.h
除了這兩個文件，還有一個特定的架構頭文件，對特定架構的位運算進行優化。對於x86_64架構，使用下面頭文件：架構
- arch/x86/include/asm/bitops.h
在Linux內核中，位圖是一個unsigned long類型的數組。所以，一個位圖能夠簡單地聲明爲：ide
unsigned long my_bitmap[16]; /* 聲明一個16比特的位圖 */
它就像這個樣子：函數
將數據【5，1，7，15，0，4，6，10】存入後，結構變爲：優化
實際上，在Linux內核中有一個專門的DECLARE_BITMAP宏來聲明位圖（該宏位於頭文件include/linux/types.h中）：this
#define DECLARE_BITMAP(name,bits) unsigned long name[BITS_TO_LONGS(bits)]
其中，參數name是位圖的名字，bits是位圖中比特的總數目。atom
Linux內核源碼中對位圖的介紹：
19 /* 20 * bitmaps provide an array of bits, implemented using an an 21 * array of unsigned longs. The number of valid bits in a 22 * given bitmap does _not_ need to be an exact multiple of 23 * BITS_PER_LONG. 24 * 25 * The possible unused bits in the last, partially used word 26 * of a bitmap are 'don't care'. The implementation makes 27 * no particular effort to keep them zero. It ensures that 28 * their value will not affect the results of any operation. 29 * The bitmap operations that return Boolean (bitmap_empty, 30 * for example) or scalar (bitmap_weight, for example) results 31 * carefully filter out these unused bits from impacting their 32 * results. 33 * 34 * These operations actually hold to a slightly stronger rule: 35 * if you don't input any bitmaps to these ops that have some 36 * unused bits set, then they won't output any set unused bits 37 * in output bitmaps. 38 * 39 * The byte ordering of bitmaps is more natural on little 40 * endian architectures. See the big-endian headers 41 * include/asm-ppc64/bitops.h and include/asm-s390/bitops.h 42 * for the best explanations of this ordering. 43 */
位圖的兩個重要操做
置位（set bit）和清零（clear bit）是位圖的兩種重要的操做，在頭文件arch/x86/include/asm/bitops.h實現了這些操做。在這兩類操做中，每一個函數分兩種類型：原子類型和非原子類型。非原子類型的實現比較簡單，介紹以下：
置位操做
/** * __set_bit - Set a bit in memory * @nr: the bit to set （位圖中的比特數目） * @addr: the address to start counting from （位圖中某個比特須要設值的地址） * * Unlike set_bit(), this function is non-atomic and may be reordered. * If it's called on the same region of memory simultaneously, the effect * may be that only one operation succeeds. */ static inline void __set_bit(long nr, volatile unsigned long *addr) { asm volatile("bts %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr) : "memory"); }
在該函數中，指令bts用來選擇位圖中的某個比特值 來做爲首個操做數，而後將已選擇的比特值 存入寄存器CF標籤中，並設置此比特位。
清零操做
static inline void __clear_bit(long nr, volatile unsigned long *addr) { asm volatile("btr %1,%0" : ADDR : "Ir" (nr)); }
該函數用來清除某個地址的某個比特值。
指令btr與指令bts相似，選擇某個比特值做爲首個操做數，而後將其值存入寄存器CF標籤中，並清除位圖中的這個比特值，而且將位圖做爲指令的第二個操做數。
位圖在Ext2文件系統中的應用
Ext2文件系統結構圖示意以下：
在Ext2文件系統中，採用了位圖來存儲信息的結構有：
- 組描述符表（GDT，Group Descriptor Table，可用
df命令查看） - 塊位圖（Block Bitmap）
- inode位圖（inode Bitmap）
各項具體含義參考文章
查找文件流程
以查找/home/slot目錄下的文件myfile爲例，該文件的完整路徑就是/home/slot/myfile，系統首先從根目錄/開始查找，根目錄/的inode編號固定爲2：
在根目錄/下的目錄項中查找名字爲home的目錄:
實際上目錄文件的結構很是簡單，就是一系列目錄項（dirent）的列表。每一個目錄項由如下幾部分組成：
- 所包含文件的文件名;
- 文件名對應的inode編號；
- 文件類型；
- 記錄長度。
接下來根據文件名找到其對應的inode編號：
（同理依次找到目錄slot下文件myfile的inode編號。）
再接下來，根據inode編號，查看inode table，找到具體的inode，inode中記錄了兩類信息：
- 文件屬性；
- 文件指針。
其中，文件指針指向磁盤上的數據塊（data block），文件的具體信息就存儲在這些block上。因此，最終根據這些文件指針找到文件內容。
注意：
最後三個文件指針都是間接指針，指向間接尋址塊（Indirect Block）（一級、二級、三級間接尋址），而非數據塊。
整個流程以下圖所示：
刪除文件流程
當使用命令 rm filename 刪除一個文件時，系統其實是刪除了其inode編號，具體是每調用一次 rm filename 命令，就將filename對應的inode編號的硬鏈接數減一（並刪除相應目錄下的目錄項），當硬鏈接數減爲0時系統才釋放該inode編號，以待分配給其它新的文件使用。
系統每次分配inode編號，是從全部可用的inode編號中選擇最小的那個。
固然，在刪除inode編號以前，系統要先釋放數據塊（即將bitmap中對應的位清零）。
因此，使用rm命令實際上只是刪除了文件的inode編號（這也是爲何通常刪除操做都很快），而文件數據仍然存放在磁盤上，只是沒法再查看到。所以，只要找到文件對應的inode信息，就能夠將文件內容恢復出來（前提是這些數據block沒有被後來的其它數據所覆蓋。因此在誤刪文件後，應當即中止全部寫操做，以防止原有數據被覆蓋）。