Linux之文件系统

1.前言

文件 = 内容+属性

文件分为被打开的文件（跟基础IO有关，在内存上）和没有被打开的文件(在磁盘上)。

在磁盘上找没有被打开的文件属于文件系统的工作

2.对硬件的理解

    2.1 磁盘，服务器，机柜，机房

1.磁盘属于外设，有着容量大，价格低的，速度慢等特点属于机械设备。

2.服务器是专门用于处理网络请求、存储和传输数据的高性能计算机。它是互联网服务的核心设备，支撑着各种在线应用与服务的运行。

3.机柜是专为存储计算机及相关控制设备而设计的设备，它提供了一个物理环境来保护这些硬件免受灰尘、水汽等环境因素的侵害。同时，机柜通过标准化的安装架和内部布局，确保服务器等硬件设备能够有序排列，从而便于文件系统的管理和数据的存储与访问。

4.机房是存放服务器、存储设备及其它关键信息系统硬件的物理空间。机房确保了数据存储、备份与恢复所需的高可靠性硬件环境得以维护。

     2.2 磁盘的物理结构

    2.3 磁盘的存储结构 

扇区：磁盘存储数据的基本单位，512字节，块设备 

磁盘容量 = 磁头数*磁道数*每道扇区数*每扇区字节数

如何定位一个扇区？

 1.可以先定位磁头

 2.确定磁头要访问哪一个磁道

 3.定位一个扇区

磁盘的数据存储在扇区上，根据柱面，磁头，扇区这三个部分就可以定位数据了，这就是数据定位的方式之一：CHS寻址方式

（CHS寻址方式支持的磁盘容量大约8.4G）

fdisk -l 指令介绍：用于列出指定磁盘或所有磁盘上的分区表信息。

 2.4 磁盘的逻辑结构

       2.4.1 理解过程

把磁盘想象成卷在一起的磁带，把磁盘拉直后可以得的存储结构类似下图：

 

每一个扇区都有了相应的线性地址（即数组下标），这就叫做LBA

 

       2.4.2 具体过程 

柱面是一个逻辑上的概念，其实就是每一面由相同半径的磁道逻辑上构成柱面 

磁道的展开：

柱面的展开：

整个磁盘的展开：

 

由C/C++的基础可知，这些都可以看成是一维数组：

每一个扇区都有下标，我们称之为LBA地址。

2.4.3 CHS和LBA地址

CHS随着时代的发展变得没那么实用，但在旧的硬件或特定的应用场景还有一定程度的用处

LBA地址通常被现代操作系统和磁盘驱动程序使用，因为它们提供了更高效、更简单的磁盘访问方式

所以在大多数情况下磁盘使用者直接使用LBA地址，而CHS地址和LBA地址间的转化通常由磁盘控制器和操作系统协同完成的。

以下是相关的转换方式了解即可：

3.引入文件系统

    3.1 块的概念

操作系统在读取硬盘数据的时候，为了追求效率，会一次连续读取多个扇区，即八个扇区组成一个块，块是文件存取的最小单位，块的单位一般是4KB.

块号=LBA/8；

LAB=块号*8+n(n是块内第几个扇区) 

    3.2 分区的概念

磁盘还可以被分成多个分区，按windows的观点来看就是一块磁盘被分为C,D,E盘，linux设备都是以文件的形式存在的，可以利用柱面的号码来进行分区（柱面是最小的分区单位） 

    3.3 inode的概念

在使用ls-l 命令的时候除了看见了文件的名字，还能看见文件元数据（属性）

每行的从左到右依次是：

模式，硬链接数，文件所有者，组，大小，最后修改时间，文件名 

除了ls -l获取文件的信息外还有stat命令能够看到更多的信息

用法：stat + 文件名

所谓的inode就是存储文件元信息的区域，中文译名为“索引节点”。

4.ext2 文件系统

    4.1 简单介绍

ext2文件系统将整个分区划分成多个同样大小的块组也就是Block Group（基本单位数为4KB），管理一个分区就能管理所有分区了，也就能管理所有磁盘文件

Linux中文件的内容和属性是分开存储的，内容存储在Data Blocks中，属性存储在inode Table中 

inode table 大小为4kb，故而会保留32个inode

为了区分不同的inode的，故而有inode编号，ls -li可以查看inode的编号，第一个就是

        4.2 位图（Bitmap）

      4.2.1 块位图（Block Bitmap）

 记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，占用的置1，没占用的置0

      4.2.2 inode位图（inode Bitmap）

  每个bit表示一个inode是否空闲可用

      4.3 GDP(Group Descriptor Table)

块组描述符表，描述块组属性信息，整个分区分成多个块组就对应有多少个块组描述符，每个块组描述符存储一个块组的描述信息。

描述信息：

1.块组内部结构的定位信息：

• inode表（inode Table）的起始位置：指出在块组中从哪里开始是inode表。inode表存储了文件系统中所有文件的元数据（如文件类型、权限、大小、创建/修改/访问时间等）。
• 数据块（Data Blocks）的起始位置：指出在块组中从哪里开始是数据块。数据块用于存储文件的数据内容。

2.块组资源的使用情况

• 空闲inode的数量：记录当前块组中还有多少个inode未被使用。
• 空闲数据块的数量：记录当前块组中还有多少个数据块未被占用。

     4.4 超级块（Super Block）

存放文件系统本身的结构信息，描述整个分区的文件系统信息。

1. 文件系统的大小和块大小：超级块记录了整个文件系统的大小以及组成文件系统的基本单位——数据块的大小。

2. inode表的信息：包括inode表的大小、位置以及空闲inode的数量等。inode是文件系统用于存储文件元数据（如文件名、文件大小、文件权限等）的数据结构，每个文件都有一个对应的inode。

3. 块位图和空闲块列表：块位图记录了文件系统中各个数据块的占用情况，而空闲块列表则列出了当前可用的数据块。这些信息对于文件系统的空间管理和文件存储至关重要。

4. 文件系统的状态信息：如最近一次的更新时间、文件系统的挂载次数等。这些信息有助于操作系统了解文件系统的当前状态，并进行相应的维护和管理。

5. 其他关键参数：如标识文件系统类型的幻数、文件系统的修改标记等。这些参数对于操作系统的识别和访问文件系统至关重要

    4.5 i节点表（inode Table）

inode编号以分区为单位，整体划分，不可跨分区 

存放文件属性如大小，所有者之类的

当前分组所有inode属性的集合

    4.6 Data Block

Block号按照分区划分，不可跨分区

    4.7 目录，文件名和映射

在磁盘中没有目录的概念，只有文件属性+文件内容的概念，磁盘中的文件采用类似树形的结构保存的。

inode编号跟文件名有着映射的关系

   4.8 struct dentry

Linux中，在内核中维护树状路径结构的内核结构体叫做struct dentry

struct dentry {

atomic_t d_count;

unsigned int d_flags; /* protected by d_lock */

spinlock_t d_lock; /* per dentry lock */

struct inode * d_inode ; /* Where the name belongs to - NULL is

* negative */

/*

* The next three fields are touched by __d_lookup. Place them here

* so they all fit in a cache line.

*/

struct hlist_node d_hash ; /* lookup hash list */

struct dentry * d_parent ; /* parent directory */

struct qstr d_name ;

struct list_head d_lru ; /* LRU list */

/*

* d_child and d_rcu can share memory

*/

union {

struct list_head d_child ; /* child of parent list */

struct rcu_head d_rcu ;

} d_u;

struct list_head d_subdirs ; /* our children */

struct list_head d_alias ; /* inode alias list */

unsigned long d_time; /* used by d_revalidate */

struct dentry_operations * d_op ;

struct super_block * d_sb ; /* The root of the dentry tree */

void *d_fsdata; /* fs-specific data */

# ifdef CONFIG_PROFILING

struct dcookie_struct * d_cookie ; /* cookie, if any */

# endif

int d_mounted;

unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* small names */

};

1.每个文件都有对应的dentry结构，包括普通文件，这样被打开的文件，就可以在内存中形成整个树形结构

2.整个树形节点也同时隶属于Hash，方便快速查找

3.树形结构整体构成了Linux的路径缓存结构，打开访问任何文件，都得先在这颗树下根据路径进行查找，找到就返回属性inode和内容，没找到就从磁盘加载路径，添加dentry结构，缓存新路径

    4.9 挂载分区

      4.9.1 挂载的概念

定义：磁盘分区后，分区与目录连接在一起，方便用户对该分区进行访问和操作

作用：通过挂载，Linux系统能够识别和使用磁盘上的分区，从而实现对文件和数据的存储，读取和管理

     4.9.2 挂载的步骤

1. 查看磁盘和分区：使用lsblk或fdisk -l命令查看当前的磁盘和分区情况。
2. 创建分区：使用分区工具（如fdisk或gdisk）创建新的分区。对于MBR分区表，使用fdisk；对于GPT分区表，使用gdisk。
3. 格式化分区：创建分区后，需要对其进行格式化以创建文件系统。例如，使用mkfs命令创建ext4文件系统。
4. 挂载分区：使用mount命令将分区挂载到指定的目录（挂载点）。例如，将/dev/sda1分区挂载到/mnt目录

      4.9.3 重要用处 

根据对挂载分区知识的了解，可以通过访问目标文件的“路径前缀”准确判断文件在哪一个分区

    5.软硬链接

      5.1 硬链接

创建格式: ln 原文件 目标文件

例:名为a.txt的文件，想让他生成一个b.txt的硬链接

硬链接本质上不是一个独立的文件，因为它没有独立的inode

本质上是一组新的文件名和目标文件inode number的映射关系

作用：对文件进行备份

(.代表当前目录，..代表上一目录）

硬链接只能给普通文件建立而不能给目录建立

         5.2 软链接

创建格式：ln-s 原文件或目录  目标文件或目录

软文件本质是一个独立的文件

作用：保存目标文件的路径（相当于windows下的快捷方式）