【Linux】文件系统

1 前言

之前我们学习了

1. 操作系统中文件操作的系统调用接口
2. 了解了文件描述符
3. 重定向的使用与底层原理
4. 了解什么是缓冲区

但是这些都是文件被进程打开后才有的操作，那么其余文件呢？？？在我们的系统中有非常多的文件（一切皆文件），被打开的文件只是一小部分。没有被打开的文件实际上是在磁盘上储存的，也就是磁盘文件。 在打开文件之前，我们需要找到文件 -> 就要从磁盘中找到对应文件 -> 通过文件路径与文件名。

今天我们来了解如何管理磁盘文件 — 文件系统。

2 物理磁盘

我们首先来了解物理磁盘是什么样子的： 通常由金属外壳、控制电路板和接口组成。硬盘内部有盘片、磁头和悬臂等部件，用于存储和读取数据。盘片表面涂有磁性介质，数据以磁道和扇区的形式存储。硬盘通过磁头在盘片上读写数据，而磁头则由悬臂支撑和定位。 简约来说，物理磁盘是计算机中用于存储数据的实体设备，具有特定的结构和外观。

3 磁盘的存储结构

磁盘是一个机械结构，读写速率较慢。所以我们尽量减少读取次数，让其定期刷新，并让其一次可以读写入较多数据（缓冲区的作用）

1. 以磁盘圆心为中心，每一圈都称为磁道（因为有多个碟片，所以磁道也可以加做柱面）
2. 像切蛋糕一样分出的块称为扇区，扇区是磁盘读写的基本单位（每个扇区有对应容量）
3. 一片磁片有 n 个磁道，每个磁道有 m 个扇区

那么我们如何找到指定位置的文件呢 —— CHS定址法

• 第一步确定在那一面（确定磁头 Header）
• 第二步确定在哪个磁道（柱面Cylinder）
• 第三步盘片选择，确定在哪个扇区 Sector

文件 = 内容+属性，也就都是数据，而数据是二进制储存的，所以文件在磁盘中储存可以理解为文件在磁盘中占有多少个扇区

4 抽象理解磁盘储存

虽然CHS定址法很直接，但是操作系统并不使用该方法，因为该方法耦合度太高。为了方便实现内核进行磁盘管理，需要进行抽象管理。 磁盘可以整体抽象为一个线性结构：把所有的扇区连接在一起，形成一个线性结构。也就是我们可以通过数组(储存扇区)来管理磁盘。那么如何进行准确的定位磁盘位置呢(假设一个面有10个磁道，1000个扇区)？？？

1. 因为磁盘每个碟片和扇区的储存容量是一定的，也就可以通过扇区的index值来确定其在哪个碟片。（H = index / 1000）
2. 确定了在哪个碟片，我们就要确定其在该碟片哪个扇区（temp = index / 1000 ）
3. 确定扇区后，我们再来确定子啊那个磁道 ( C = temp / 100)

这样通过一个线性结构就可以管理磁盘。 文件就等于很多个扇区的下标

一般操作系统与磁盘交互时不这样一个一个下标来确认。基本单位可能是 4KB ,也就是一次读取多个扇区。 4KB 假如是8 个连续的扇区，我们称之为数据块。 那么文件就是多个块来构成的。操作系统通过块来读取数据，通过每个块的起始位置就能确定块中的扇区的CHS（只要知道一个起始，和磁盘总大小，有多少块，每个块的编号，如何转换到CHS,就都知道了），称之为：LBA（逻辑区块地址）

5 引入文件系统 （如何管理磁盘文件）

5.1 了解文件系统

有了上面的线性大地址，我们就可以开始构建出文件系统了。

磁盘每个分区的容量是很大的（比如我们电脑的C盘 D盘 E盘），要直接管理好这个大空间是有点困难的，所以操作系统对磁盘分区进行一个分组，只要管理好这个分组就能管理好这个分区（分治思想！！！）。

首先：文件 = 文件内容 + 文件属性 。文件在磁盘中存储，本质是储存文件的内容与文件的属性数据。在每个分区内部分组，然后写入文件系统的管理数据，称之为格式化！！！

Linux 文件系统特定： 文件属性 与 文件内容 分开存储。接下来我们来研究文件系统：

每个组里有这些部分：

1. Block Group（占据空间最大的一部分）：每个Block Group都有着相同的结构组成。里面储存着非常多的数据块（ 都有对应的块号），每个数据块只存储文件的内容。
2. inode 表 : 存放文件属性 如 文件大小，所有者，最近修改时间等 Linux中文件的属性是大小固定的集合体(一般固定128字节) 不包含文件名，但是都有inode_number，通过inode号来标识一个文件。

struct inode
{
	int size;
	mode_t mode;
	int creater;
	int time;
	...
	int inode_number;
	... 
	int datablocks[N]
}

  其中的datablocks[N]用来储存使用了哪些数据块（通过块号来储存）。但是N一般是15，想要储存一个大文件是怎样储存的呢？

1. GDT（Group Descriptor Table）：块组描述符，描述块组属性信息：块多大，有多少个Datablock，使用了多少个… 其本质是管理字块的部分
2. 超级块（Super Block）：存放文件系统（分区）本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，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，超级块不是每个分区都有的，但是超级块也会有多个，内容也保持一致，防止数据丢失，提高系统健壮性。
3. 块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用。通过010101的比特位来记录信息。
4. inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。通过010101这样的比特位表示是否可用。
5. 数据区：存放文件内容

5.2 细节处理

如何存储文件

我们找寻文件时，必须先得到文件的inode号。在我们的GDT中会记录下该组的inode编号的范围（start 与 end ），通过文件inode就可以确定其所属分区。 datablock 也是如此！！！ 也有对应块号。这样就能找到文件的内容。

inode 表中的datablock[N]通常只有15容量，那是怎样储存大文件的呢？其实这里就比较类似指针数组了，一般【0 ， 11】直接映射数据块，【12 ， 15】 指向的数据块，这个数据块里面也类似一个datablock[N]，来指向其他数据块！（存在一级映射，二级映射，三极映射。并且可以跨组访问，但是强烈不推荐这样，因为硬件的限制会导致访问较慢）

上述的寻找过程是以inode为索引搜索 ，为什么要不使用文件名呢？？？ 这是因为目录本质也是一个文件，是文件就会有内容与属性。那目录的内容是什么呢？目录内容就是文件名与其inoded 映射关系。 这也可以解释一下我们平时的应用：

1. 同一目录下不难创建同名文件
2. 查找文件的顺序，先查找文件名->再找到映射的inode编号。
3. 目录的 r 权限 ：本质是 是否允许我们读取目录的内容（文件名与inode的映射关系）
4. 目录的 w 权限 ：新建文件，最后一定是向当前所处的目录内容中写入：文件名与inode的映射关系
5. 如何理解文件的增删查改：
   • 增加：本质是先根据inode位图子所属分区申请一个新的inode，根据inode值确定分组，再通过block位图寻找未被使用的数据块，然后开始写入数据
   • 修改：根据文件名找到对应映射的inode,然后找到对应的文件内容，进行修改。
   • 删除：本质是在inode位图中设置为 0 ，这样就完成了删除。

如何寻找指定文件

要找到指定文件 -> 首先要找到所在目录 ->找到文件的inode编号 -> 打开文件

找到所在目录的过程与找指定文件过程一样，因为目录本质也是文件 ！就这样进行逆向的路径解析。 而Linux系统会进行路径的缓存，来方便我们的寻找工作。 我们一般使用的云服务器会有一个虚拟磁盘vda，系统中会有许多分区。我们访问一个分区会对我们使用的分区进行挂载，挂载实质是将一个磁盘分区与目录进行关联，这样就可以在该分区进行文件操作。

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！

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