Linux文件系统

Linux文件系统 1.磁盘 1.1 分类

​ 由于计算机内存通常太小而不能永久保存所有数据和程序，因此计算机系统必须提供外存来备份数据和程序。现代计算机系统采用磁盘来作为信息的主要存储介质。磁盘是一种磁性材料记录信息的盘状物，主要分两类：硬盘和软盘。

1.2 结构 1.2.1 内部结构

​ 一个磁盘统常由多个盘片(磁面)组成，盘片正反两面皆可存储二进制数据。每个盘片都配有一个读写磁头(正反面各一个)，磁头悬浮在盘片上方(微米距离)。所有磁头附着在同一磁臂上，所有磁头随磁臂一起整体移动。盘片正常以一定速度绕转轴旋转。

​ 每个盘片可分为多个圆形磁道()，每个磁道可再细分为扇区(sector，磁盘I/O读写的最小单位，512B、4KB)，同一磁臂位置的的不同磁道形成了柱面。

1.2.2 外部结构

​ 磁盘内部配上固定板、磁盘控制器和磁盘接口就可以组成一个完整的磁盘了。固定板用于保护整个硬盘，和地板合成一个密封整体，保证磁盘稳定运行(磁头和盘片表面有接触危险，出现磁头碰撞以后通常无法修复)。磁盘控制器用于驱动转轴、磁头、定位及读写等功能。磁盘接口包括电源和数据接口等，数据接口用于和主机之间进行数据传输，通常有多种可用总线，包括硬盘接口技术（ATA）、串行 ATA（SATA）、外部串行 ATA（eSATA）、通用串口总线（USB）等。

1.2.3 补充

• 通过柱面号、盘面号和扇区号可以确定一个地址。
• 首先通过柱面号移动磁臂，让磁头指向指定柱面；然后根据盘面号激活对应的磁头；在磁盘旋转过程中，让磁头从指定的扇区号下面划过，即可完成对指定扇区的读/写。
• SSD采用半导体闪存(Flash)作为存储设备，由控制单元、存储单元(Flash、DRam)以及缓存单元组成，原理和机械硬盘不同。固态硬盘接口通常有SATA、mSATA、m.2及PCI-E4种。

2.文件系统 2.1 Linux 文件系统层次

​ 在 Linux 文件系统结构如下图所示，硬盘驱动，文件系统，虚拟文件系统，以及系统调用，都属于内核空间；而用户空间主要是一些对磁盘的读写访问操作。

​ **硬盘驱动：**与不同类型硬盘进行通信（PATA、SATA以及AHCI）。

​ 通用块设备层：不同的硬盘有不同的驱动，那么内核为了方便管理，于是定义统一抽象的硬盘驱动接口， 屏蔽不同硬盘驱动带来的IO接口的多样性和复杂性。

​ 文件系统：内核所支持的文件系统(磁盘、内存、网络文件系统)类型，可以通过下载内核源码，查看目录树 fs 中的类型，常用的如Ext2、Ext4等。

​ **虚拟文件系统：不同的文件系统有不同的api，VFS将这些API统一，供SCI调用。常见有mkdir()/open()**等

​ **系统调用：**为用户程序提供系统调用的接口。

2.2 Ext2文件系统 2.2.1 概述

​ Ext2 文件系统在格式化的时候基本上是区分为引导块(Boot Sector)和多个区块群组 （block group）。引导块（Boot Sector）在文件系统最前面，这个开机扇区可以安装开机管理程序，在系统启动时用于启用引导。我们能够将不同的开机管理程序安装到个别的文件系统最前端，而不用覆盖整颗磁盘唯一的 MBR。每个区块群组都有独立的 inode/block/superblock 系统。

2.2.2 组成

• superblock（超级块）

  ​ 记录文件系统的类型、block大小、block总数、inode大小、inode总数、group的总数等。文件系统中会存在磁盘的多个不同位置（按一定规则，存储在个别快组开头）会存在主superblock的备份副本，一旦系统出问题后还可以通过备份的superblock对文件系统进行修复。

• Block Group Descriptor Table（块组描述符表）

  ​ 描述每个 block group 的开始与结束的 block 号码，以及说明每个区段 （superblock, bitmap, inodemap, data block） 分别介于哪一个 block 号码之间。

• block bitmap(区块位图)

  ​ 一个block bitmap占用一个block大小，而block bitmap中每个bit表示一个对应block的占用情况，0表示对应的block为空，为1表示相应的block中存有数据。新增/删除文件时会查询/置位对应bit。

• inode bitmap(inode 对照表)

  ​ 与 block bitmap 功能类似，只是 block bitmap 记录的是使用与未使用的 block 号码， 至于 inode bitmap 则是记录使用与未使用的 inode 号码。

• inode table(inode 表)

  ​ 每个Group中的所有inode存放在inode table中。

• inode

  ​ 一个文件占用一个 inode（128 Bytes），每个inode有编号。每个inode主要记录文件的属性以及该文件实际数据是放置在哪些block中（文件名存储在目录的block中）。

  ​ 里面有 12 个直接指向 block 号码的对照。所谓的间接就是再拿一个 block 来当作block 号码的记录区，如果文件太大时， 就会使用间接的 block 来记录码。当中间接只是拿一个 block 来记录额外的号码而已。 同理，如果文件持续长大，那么就会利用所谓的双间接，第一个 block 仅再指出下一个记录号码的 block 在哪里， 实际记录的在第二个 block 当中。依此类推，三间接就是利用第三层 block 来记录号码。此时我们知道当文件系统将 block 格式化为 1K 大小时，能够容纳的最大文件为 16GB（12 + 2⁸+ 2¹⁶ + 2²⁴ （K））。

2.2.3 总结

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​ 目录

​ 创建：当我们在 Linux 下的文件系统创建一个目录时，文件系统会分配一个 inode 与至少一块 block 给该目录。其中，inode 记录该目录的相关权限与属性，并记录分配到的那块 block 号码； 而 block 则是记录在这个目录下的文件名与该文件名占用的 inode 号码数据。

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​ 文件

• **创建： ** 当我们在 Linux 下的 ext2 创建一个一般文件时， ext2 会分配一个 inode 与相对于该文件大小的 block 数量给该文件。

  示例：假设我的一个 block 为 4 KBytes ，而我要创建一个 100 KBytes 的文件，那么 linux 将分配一个 inode 与 25 个 block 来储存该文件！ 但同时请注意，由于 inode 仅有 12 个直接指向，因此还要多一个 block 来作为区块号码的记录。

• **读取：**因为文件名是记录在目录的 block 当中， 因此当我们要读取某个文件时，就务必会经过目录的 inode 与 block ，然后才能够找到那个待读取文件的 inode 号码， 最终才会读到正确的文件的 block 内的数据。

  示例：读取etc/passwd文件。

  1. / 的 inode： 通过挂载点的信息找到 inode 号码为 2的根目录 inode，且 inode 规范的权限让我们可以读取该 block 的内容（有 r 与 x） ；
  2. / 的 block： 经过上个步骤取得 block 的号码，并找到该内容有 etc/ 目录的 inode 号码 （783361）；
  3. etc/ 的 inode： 读取 783361号 inode 得知具有 r 与 x 的权限，因此可以读取 etc/ 的 block 内容；
  4. etc/ 的 block： 经过上个步骤取得 block 号码，并找到该内容有 passwd 文件的 inode 号码 （796958）；
  5. passwd 的 inode： 读取 796958号 inode 得知具有 r 的权限，因此可以读取 passwd 的 block 内容；
  6. passwd 的 block： 最后将该 block 内容的数据读出来

• 移动：

  同文件系统下移动文件实际上是修改目标文件所在目录的data block，向其中添加一行指向inode table中待移动文件的inode指针，如果目标路径下有同名文件，则会提示是否覆盖，实际上是覆盖目录data block中冲突文件的记录，由于同名文件的inode记录指针被覆盖，所以无法再找到该文件的data block，也就是说该文件被标记为删除。所以在同文件系统内移动文件相当快，仅仅在目标目录data block中添加或覆盖了一条记录而已。也因此，移动文件时，文件的inode号是不会改变的。对于不同文件系统内的移动，相当于先复制再删除的动作。

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• 在 Ext2 文件系统中所支持的 block 大小有 1K, 2K 及 4K 三种。在格式化时 block 的大小就固定了，且每个 block 都有编号，以方便 inode 的记录。
• 一个block只能存放一个文件，剩余空间将被浪费掉。因此如果你的文件都非常小，但是你的 block 在格式化时却选用最大的 4K 时，可能会产生一些容量的浪费。所以我们可以说，在进行文件系统的格式化之前，先想好该文件系统预计使用的情况。
• 创建一个文
  • 文件具体内存记录在block中，block是新生成文件

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2.3 相关内容 2.3.1 文件类型

​ Linux的文件类型（dcb-lsp，7种)：

文件类型	标识	颜色	备注
普通文件	-	白/红/绿	纯文本文件(ascii);二进制文件(binary);各种压缩文件
目录文件	d	蓝	能用cd命令进入的
链接文件	l	红	符号链接文件
块设备文件	b	黄	存储数据以供系统存取的接口设备（硬盘）
字符设备文件	c	黄	指在I/O传输过程中以字符为单位进行传输的设备
管道文件	p	土黄	管道都是一端写入、另一端读取，它们是单方向数据传输的， 它们的数据都是直接在内存中传输的，如父进程写，子进程读。
套接字文件	s	桃红	用来实现两端通信，可以实现双向管道的进程间通信功能

2.3.2 链接

• 符号链接(soft link)

  符号链接相当于重新创建一个文件，这个文件有独立的 inode，但是这个文件的内容是另外一个文件的路径，所以访问符号链接的时候，实际上相当于访问到了另外一个文件，所以软链接是可以跨文件系统的，甚至**目标文件被删除了，链接文件还是在的，只不过指向的文件找不到了而已。**符号链接与windows下的快捷方式类似。

  • 创建符号链接指令：ln -s source_file target_file
  • 软链接可对文件或目录创建
  • 创建软链接时，链接计数 i_nlink 不会增加
  • 可对不存在的文件或目录创建软链接
  • 删除软链接并不影响被指向的文件，但若被指向的原文件被删除，则相关软连接被称为死链接（即 dangling link，若被指向路径文件被重新创建，死链接可恢复为正常的软链接）

• 硬链接(hard link)

  ​ 一般情况下，文件名和inode号码是"一一对应"关系，每个inode号码对应一个文件名。Linux系统允许，多个文件名指向同一个inode号码。可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。

  • 只能对已存在的文件进行创建
  • 不能对目录进行创建，只可对文件创建
  • inode 是不可能跨越文件系统的，所以硬链接是不可用于跨文件系统的
  • 只有删除文件的所有硬链接以及源文件时，系统才会彻底删除该文件
  • 创建硬链接指令：ln source_file target_file
  • 创建目录时，默认会生成两个目录项：“.“和”…”。前者的inode号码就是当前目录的inode号码，等同于当前目录的"硬链接", 总是等于2加上它的子目录总数（含隐藏目录）；后者的inode号码就是当前目录的父目录的inode号码，等同于父目录的"硬链接"。

2.3.3 挂载

​ **含义：**将文件系统与目录树结合的动作我们称为“挂载”。指的就是将设备文件中的顶级目录连接到 Linux根目录下的某一目录（最好是空目录），访问此目录就等同于访问设备文件。

**原因：**在 Linux看来，任何硬件设备也都是文件，它们各有自己的一套文件系统（文件目录结构）。因此产生的问题是，当在 Linux 系统中使用这些硬件设备时，只有将Linux本身的文件目录与硬件设备的文件目录合二为一，硬件设备才能为我们所用。

mount命令格式

mount [-t vfstype] [-o options] [设备名称] [挂载点]

• 挂载点: 必须是一个已经存在的目录，这个目录可以不为空，但挂载后这个目录下以前的内容将不可用，umount以后会恢复正常；挂载点目录不可被其他进程使用到
• 设备名称: 可以是一个分区，一个usb设备，光驱，软盘，网络共享等
• -t 指定文件系统的类型，通常不必指定。mount 会自动选择正确的类型。常用类型有：

光盘或光盘镜像：iso9660;
DOS fat16文件系统：msdos;
Windows 9x fat32文件系统：vfat;
Windows NT ntfs文件系统：ntfs;
Mount Windows文件网络共享：smbfs;
UNIX(LINUX) 文件网络共享：nfs

• -o 主要用来描述设备或档案的挂接方式。常用的参数有：

loop：用来把一个文件当成硬盘分区挂接上系统;
ro：采用只读方式挂接设备;
rw：采用读写方式挂接设备;
iocharset：指定访问文件系统所用字符集

1、mount挂载光驱系统

一般来说CDROM的设备文件是/dev/hdc 或dev/cdrom或media/cdrom

首先我们在mnt目录新建cdrom目录：

$ mkdir /mnt/cdrom

执行挂载命令：

$ mount /dev/cdrom /mnt/cdrom

2、mount挂载u盘

如果计算机没有其它SCSI设备和usb外设的情况下，插入的U盘的设备路径是 /dev/sda1：

$ mkdir /mnt/upan
$ mount /dev/sda1 /mnt/upan

umount卸载文件系统

​ umount 命令用于卸载已经挂载的硬件设备，该命令的基本格式如下：：

$ umount 设备文件名或挂载点

​ 注意，卸载命令后面既可以加设备文件名，也可以加挂载点，不过只能二选一，比如卸载光盘：

$ umount /mnt/cdrom

​ 命令加设备文件名同样是可以卸载的:

$ umount /dev/cdrom

​ 如果加了两个（如下所示），从理论上分析，会对光驱卸载两次，当然，卸载第二次的时候就会报错。

`$ umount /dev/cdrom /mnt/cdrom/

​ 另外，我们在卸载时有可能会出现以下情况：

cd /mnt/cdrom/
#进入光盘挂载点
umount /mnt/cdrom/
umount: /mnt/cdrom: device is busy.
#报错，设备正忙

​ 这种报错是因为我们已经进入了挂载点，因此，如果要卸载某硬件设备，在执行 umount 命令之前，用户须退出挂载目录。

​ 卸载硬件设备成功与否，除了执行 umount命令不报错之外，还可以使用 df 命令或 mount -l 来查看目标设备是否还挂载在系统中。

2.3.4 存取与日志

假设我们想要新增一个文件，此时文件系统的行为是：

• 先确定使用者对于欲新增文件的目录是否具有 w 与 x 的权限，若有的话才能新增；
• 根据 inode bitmap 找到没有使用的 inode 号码，并将新文件的权限/属性写入；
• 根据 block bitmap 找到没有使用中的 block 号码，并将实际的数据写入 block 中，且更新 inode 的 block 指向数据；
• 将刚刚写入的 inode 与 block 数据同步更新 inode bitmap 与 block bitmap，并更新 superblock 的内容。

​ 你的文件在写入文件系统时，因为不知名原因导致系统中断（例如突然的停电、 系统核心发生错误），所以写入的数据仅有 inode table 及 data block 而已， 最后一个同步更新中介数据的步骤并没有做完，此时就会发生 metadata 的内容与实际数据存放区产生不一致 （Inconsistent） 的情况。

​ 为了避免上述提到的文件系统不一致的情况发生，在我们的 filesystem 当中规划出一个区块，该区块专门在记录写入或修订文件时的步骤。也就是说：

1. **预备：**当系统要写入一个文件时，会先在日志记录区块中记录某个文件准备要写入的信息；
2. **实际写入：**开始写入文件的权限与数据；开始更新 metadata 的数据；
3. **结束：**完成数据与 metadata 的更新后，在日志记录区块当中完成该文件的纪录。

​ 在这样的程序当中，万一数据的纪录过程当中发生了问题，那么我们的系统只要去检查日志记录区块， 就可以知道哪个文件发生了问题，针对该问题来做一致性的检查即可，而不必针对整块 filesystem 去检查， 这样就可以达到快速修复 filesystem 的能力了。

2.3.5 常用文件结构

下面我们介绍一下 Linux 系统根目录下面的目录名

• /bin，它是重要的二进制应用程序，包含二进制文件，系统的所有用户使用的命令都在这里
• /boot，启动包含引导加载程序的相关文件
• /dev，包含设备文件，终端文件，USB 或者连接到系统的任何设备
• /etc，配置文件，启动脚本等，包含所有程序所需要的配置文件，也包含了启动/停止单个应用程序的启动和关闭 shell 脚本
• /home，本地主要路径，所有用户用 home 目录存储个人信息
• /lib，系统库文件，包含支持位于 /bin 和 /sbin 下的二进制库文件
• /lost+found，在根目录下提供一个遗失+查找系统，必须在 root 用户下才能查看当前目录下的内容
• /media，挂载可移动介质
• /mnt，挂载文件系统
• /opt，提供一个可选的应用程序安装目录
• /proc，特殊的动态目录，用于维护系统信息和状态，包括当前运行中进程信息
• /root，root 用户的主要目录文件夹
• /sbin，重要的二进制系统文件
• /tmp， 系统和用户创建的临时文件，系统重启时，这个目录下的文件都会被删除
• /usr，包含绝大多数用户都能访问的应用程序和文件
• /var，经常变化的文件，诸如日志文件或数据库等

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​ 虽然 Linux 的标准文件系统是 ext2 ，且还有增加了日志功能的 ext3/ext4 ，事实上，Linux 还有支持很多文件系统格式的， 尤其是最近这几年推出了好几种速度很快的日志式文件系统，包括 SGI 的 XFS 文件系统， 可以适用更小型文件的 Reiserfs 文件系统，以及 Windows 的 FAT 文件系统等等， 都能够被 Linux 所支持喔！常见的支持文件系统有：

• 传统文件系统：ext2 / minix / MS-DOS / FAT （用 vfat 模块） / iso9660 （光盘）等等；
• 日志式文件系统： ext3 /ext4 / ReiserFS / Windows’ NTFS / IBM’s JFS / SGI’s XFS / ZFS
• 网络文件系统： NFS / SMBFS

想要知道你的 Linux 支持的文件系统有哪些，可以察看下面这个目录：

ls -l /lib/modules/$(uname -r)/kernel/fs

系统目前已载入到内存中支持的文件系统则有：

cat /proc/filesystems

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使用 ll 查看一个文件时，会显示一个文件的信息，例如：

drwxr-xr-x 3 root root 17 May 6 00:14 .config

对这个信息的解释如下：

• drwxr-xr-x：文件类型以及权限，第 1 位为文件类型字段，后 9 位为文件权限字段。9 位的文件权限字段中，每 3 个为一组，共 3 组，每一组分别代表对文件拥有者、所属群组以及其它人的文件权限。一组权限中的 3 位分别为 r、w、x 权限，表示可读、可写、可执行。
• 3：链接数。
• root：文件拥有者。
• root：所属群组。
• 17：文件大小。
• May 6 00:14：文件最后被修改的时间。
• .config：文件名。

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​ df -T -h：

​ df 显示包含每个文件名参数的文件系统上可用的磁盘空间量。如果未指定文件名，则显示当前挂载的所有文件系统上的可用空间。