文件系统

目录

1.认识磁盘

磁盘的物理结构

CHS定位法

磁盘的逻辑结构

2.认识文件系统

inode

分区和分组

磁盘上的文件系统

3.软硬链接

软链接

软链接的操作

创建软链接

查看软链接

删除软链接

软链接的特点

软链接的使用场景

硬链接

硬链接的操作

创建硬链接

查看硬链接

删除硬链接

硬链接的特点

硬链接的使用场景

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1.认识磁盘

磁盘的物理结构

我们的计算机当中会存在许多的文件，有被打开的文件，也有没打开的文件，没打开的文件就是放在磁盘上存储的，磁盘的物理结构如下图所示：

• 盘片：一个磁盘有多个盘片，一个盘片有上下两个盘面。
• 磁头：一个盘面配有一个磁头，磁头会在盘面上方来回摆动读取盘面上的数据。
• 主轴：多个盘片被主轴贯穿，绕主轴旋转。
• 伺服系统：内部有各种控制电路和程序，控制磁盘的运动。

我们将磁盘的物理结构形象的表示成下面这幅图：

• 磁道：盘面上的一圈就是一个磁道。
• 扇区：磁道上的一小个扇装结构就是一个扇区，一个扇区的大小通常是512字节。

CHS定位法

磁盘上的磁头（Head）、磁道（Cylinder）、扇区（Sector）都有唯一的编号，那么我们就可以这样来定位磁盘上的一个特定扇区：

• 首先确定使用哪一个磁头，通过这个磁头就能够找到一个固定的盘面。
• 通过磁头的来回摆动，找到固定的一个磁道。
• 盘片是绕轴旋转的，通过盘片的旋转，就能找到特定的扇区。

这种定位一个扇区的方法称为CHS定位法。扇区是磁盘进行IO的基本单位，文件又是在磁盘上存储的；那么，一个文件就是多个扇区所承载的数据了。

磁盘的逻辑结构

我们可以想象一下，把一个盘面按照磁道为单位进行展开，并且所有的磁道首尾相连，那么一个盘面不就相当于被展开成了一串 “磁带” 了吗？

我们可以把展开之后的盘面看成一个大数组，每个数组元素都是一个扇区。这个大数组就是磁盘的逻辑结构。

磁盘逻辑结构示意图：

对于操作系统来说，每次和磁盘进行IO的基本单位是4KB。 

2.认识文件系统

inode

文件是由文件的内容和文件的属性共同组成的。文件内容的大小是不固定的，但是文件属性的大小是固定的，通常为128字节。而且，在Linux操作系统中，文件的内容和文件的属性是分开存储的，文件的属性存储在一个 struct inode 类型的结构体中，inode中通常记录着文件大小，所有者，最近修改时间等……

需要注意的是：inode中， 没有文件名，Linux系统中，标识一个文件用的不是文件名，而是inode编号，也正是inode中没有文件名，才能做到 struct inode 类型的对象大小固定。

分区和分组

我们计算机上的磁盘的存储空间是很大的，就现在而言，一般的计算机都有512GB的磁盘空间，那么操作系统要如何才能管理好着512GB的磁盘空间和磁盘上的文件呢？

操作系统对磁盘空间的管理其实是采用了分治思想，先把磁盘划分成多个区域，我们在Windows电脑上就可以很明显的看到有什么C盘、D盘…… 这其实就是操作系统对磁盘进行了分区；要管理好一个磁盘，就要管理好多个分区。那么操作系统是如何管理好一个分区的呢？同样采用了分治思想，操作系统先把一个分区分成多个组，这叫做分组，然后编写管理好一个分组的数据结构和算法，一个分组能够管理好，那么就能把管理管理一个分组的数据结构和算法拷贝给其他分组，这样就管理好了一个分区内的多个分组，也就意味着管理好了一个分区，既然能够管理好一个分区，那复用管理好着一个分区的数据结构和算法，就能管理好多个分区，管理好多个分区就意味着管理好了磁盘。

分区和分组示意图：

磁盘上的文件系统

每一个分组其实是 Block group 结构，多个 Block group 结构和头部的 BootBlock 结构 共同就构成了磁盘的文件系统，每一个 Block group 又都有相同的结构，分别是：

• Date blocks：数据区，存放文件的内容。
• Block Bitmap：块位图，Block Bitmap中记录着 Data blocks 中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用；比特位的位置，表示块号，比特位的内容，表示对应的块是否被使用（1表示使用，0表示未使用）。
• inode Table：i节点表，相当于一个 inode 数组。
• inode Bitmap：inode位图，inode Bitmap中记录着 inode Table 中 inode 的使用情况；比特位的位置表示第几个inode，比特位的内容，表示inode是否被使用（1表示使用，0表示未使用）。
• Super Block：超级块，存放文件系统本身的结构信息。
  记录的信息主要有：
  1.bolck 和 inode的总量。
  2.未使用的block和inode的数量。
  3.一个block和inode的大小。
  4.最近一次挂载的时间。
  5.最近一次写入数据的时间。
  6.最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。
  Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。
• Group Descriptor Table：块组描述，符描述块组属性信息。

3.软硬链接

软链接

在Windows操作系统中，我们都使用过快捷方式打开一个软件，在Linux操作系统中，软链接文件就类似于Windows中的快捷方式。

软链接的操作

创建软链接

我们可以使用 ln -s 目标文件或目录 软链接名称 命令创建一个软链接文件：

• 从开头的文件类型为l，表明软链接文件是一个链接文件。
• 并且文件名当中会通过 -> 告诉我们软链接文件链接的是哪一个文件。

查看软链接

我们还可以使用 ll -l -i 命令查看文件的 inode编号：

• 可以看到这两个文件的inode编号不同，表明一个文件的软连接确实是一个文件。

删除软链接

我们可以使用 rm 命令或者 unlink 命令删除一个软链接文件：

软链接的特点

• 软链接是一个独立的文件，因为它有自己的inode编号。
• 软连接会记录目标文件或目录的路径，相当于Windows中的快捷方式。
• 可以为目录创建软链接。

软链接的使用场景

软链接中会记录目标文件or目录的路径，我们可以使用这一点来进行以下操作：

• 简化路径：为长路径的文件或目录创建软链接，方便访问。
• 版本管理：通过软链接指向不同版本的文件或目录，方便切换。

硬链接

硬链接是Linux操作系统中的一种文件链接方式。它与软链接不同，硬链接直接指向文件的 inode，而不是存储目标路径。硬链接更像是文件的 “别名”，多个硬链接共享同一个 inode 和 数据块。

硬链接的操作

创建硬链接

我们可以使用 ln 目标文件 软链接名称 为指定文件创建硬链接：

• 开头的文件类型为 - ，表明硬链接是一个普通文件。

查看硬链接

我们可以使用 ll -l -i 命令 查看硬链接文件：

• 开头的文件类型为 -，表明这是一个普通文件。
• code.c 和 code_link.hard 的 inode 编号是一样的，说明code_link.hard只是code.c的一个别名。
• 可以看到 code.c 和 code_link.hard 文件的硬链接数都是2。

删除硬链接

我们可以使用 rm 命令 或者 unlink 命令删除一个硬链接文件：

• 可以看到文件的硬链接数变成1了。
• 硬链接数相当于一个文件的引用计数，当硬链接数大于1时，删除硬链接不会影响其他的硬链接or文件；只有当硬链接数为1的时候，删除硬链接才会释放文件数据。

硬链接的特点

• 硬链接与目标文件共享同一个 inode，因此它们指向相同的物理数据。
• 用户不能给目录建立硬链接，只能由系统给目录建立硬链接。

硬链接的使用场景

• 文件备份：硬链接可以提供额外的访问路径，即使删除一个硬链接，文件数据依然存在。
• 文件共享：多个用户可以通过硬链接共享同一个文件，而无需复制路径。

在Linux操作系统中，我们经常可以看到 . 和 .. 这两个目录，. 代表当前目录，.. 代表上一级目录，这是如何实现的呢？

Linux 系统当中目录本质上是一个特殊的文件，它存储了文件名和对应的 inode 编号的映射关系，当我们创建一个目录的时候，文件系统会自动生成两个硬链接：

• .指向当前目录的 inode。

• ..指向父目录的 inode。

这样，就能够通过 cd . 命令 进入当前目录，cd ..命令进入上一级目录了。

注意：我们只是说用户不能给目录创建硬链接，但是系统是可以给目录创建硬链接的，这两个硬链接就是操作系统自己创建的。