文件系统入门

Windows和DOS常用的文件系统是fat系列，Linux主要使用的文件系统是ext3。在UNIX/Linux系统中，除根目录外，所有文件和目录都包含在相应的目录文件中，目录是UNIX/Linux文件系统的一个基本特征。

1.文件系统的结构

1.1目录结构和文件名

UNIX/Linux系统的目录结构以层次形式组织，称为层次结构或树状结构。根目录是所有目录的起始点，所有其他目录都直接或间接地从它分支而来，每个目录包含文件和子目录，形成在广度和深度上延伸的一颗目录树，如下图：

图1.1 树状目录结构

其中“/”是根目录，也是bin、dev等子目录的父目录，而bin、dev则称为根目录的子目录。事实上，目录是子目录和文件的一个列表，是一种结构化的文件，每个子目录或文件占用一个目录项。UNIX/Linux系统中的目录项通常如图4.2所示：

文件名	索引节点编号
·	45254
··	23
子目录名1	64645
子目录名2	824207
文件名1	67621
文件名2	73486
···	···

图1.2 目录形式

其中“.”表示当前目录，“..”表示父目录，除根目录之外的所有目录都自动包含这两个目录项。每个目录项都由文件名和索引节点编号（即i节点）组成。UNIX/Linux的文件系统有一个存储i节点表的空间，文件系统中的每一个文件在该表中部分配有一个i节点，所有的i节点都有相同的大小，每个i节点都通过在表中的位置来标识，用来存储文件的属性信息，如文件大小、文件权限、最近修改时间和指向文件所占用的数据块等。

文件是UNIX/Linux操作系统处理信息的基本单位。UNIX/Linux的文件系统有普通文件、目录文件、设备文件、符号链接文件等。每个文件都包括文件本身内容和属性信息（在i节点中）两部分。文件在文件系统中通过文件名来进行存取等操作。

1.2 文件系统结构（转载）

磁盘分区和文件系统

磁盘是由若干扇区组成，每个扇区有512B(将磁盘存储区扇区化是为了更好的管理磁盘)。又由若干个扇区组成一个块(ext2默认是由8个扇区组成一个块，即4kb，这里为了简化说明，就把2个扇区组成一个块，即1kb)。由图知，将磁盘分成若干个分区，每个分区由若干个块组成。

自举块(boot block)：占用1 block；主要存储分区的操作系统类型、分区起始地址；pc联盟规定的大小，和各个文件系统无关；每个分区只有一个；
超级块：占用1 block；存储分区操作系统版本、块大小、文件系统；
块组描述表(GDT)：占用3 block；存储一个块组的描述信息；
块位图(block bitmap)：占用1 block;每个比特位表示一个数据块是否被标记使用；1：已使用，0：未使用；
inode 位图(inode bitmap)：占用1 block;每一个比特位表示一个inode节点。1：已使用，0：未使用；
inode节点：占用128B；分为文件属性部分和数据指针部分；数据指针占用60B，长度为15的指针数组；每个数据块的大小是1 block，那么15个指针最多只能维护15*1K个文件大小，显然，文件大小的上限太小了。所以文件系统通过三级间接寻址的方式来提高文件大小的上限。块大小若以1 block计算，文件大小的上限为16G，若以4 block为块大小，那文件大小的上限超过了1T；ext4文件系统中，数据指针有256B，那文件大小上限就非常大了；
数据块：存储文件的内容；

三级间接寻址策略

三级间接寻址图

间接寻址

将数据指针数组命名为data数组。文件系统中，将data[12]进行一级间接寻址。即：将data[12] 指针指向的数据块，转化为一个更大的指针数组，长度为1024/4=256。在将这个更大的指针数组的分别数指向256个数据块；data[13]进行二级间接寻址，data[14] 进行三级间接寻址。都和一级间接寻址同理。

目录文件

数据块存储内容

目录块

数据块中存储的是一条一条的记录项，每条记录项都由文件名、indoe编号、记录长度(该记录项首地址到下一条记录项的首地址的长度)。每一个记录项就是该目录下“ls -a”的结果。

普通文件结构

由图可以看出，每个inode节点可以对应多个数据块，和上文在分析inode节点的内容一致。然后，若干个目录块中的记录项指向每个inode节点，通过inode节点中链接数这个数据成员来标识指向其的记录项个数，这就是硬链接。当然，这些目录块都是目录文件的数据块；

目录文件结构

由上图知，inode节点在文件系统中被维护成了结构体数组，inode编号为数组的下标；2549号i节点是1267号i节点的子目录，因为1267号i节点的数据块中有2549号i节点的记录项；“.”目录文件和 “..”目录文件都是硬链接。

从以上分析能够得出结论：所有的目录块都是不同目录文件的数据块。

文件创建和查询过程

执行命令：mkdir /home/aaron/a.c

（1）通过块位图区找到空闲的数据块，存放a.c中的内容
（2）通过inode位图区找到空闲的inode节点块，生成相应的inode节点
（3）在aaron目录文件的数据块中添加一条a.c的记录项

执行命令：vim /home/aaron/a.c

（1）找到inode编号为2的inode节点，
（2）遍历根目录文件的数据块中的记录项，匹配aaron记录项，获取其inode编号
（3）通过aaron目录文件的inode编号，找到aaron文件对应的数据块
（4）遍历aaron文件的数据块中的记录项，匹配a.c记录项。同理，找到对应的a.c的数据块。用vim打开相应文件

unix和Linux系统是通过文件名来对应inode节点号，从而找到对应的数据块，完成文件查询的过程
inode节点中没有文件名就是因为基于这种定位文件位置的机制

1.3绝对路径和相对路径

文件系统中的路径用来定位文件，从根到文件所处位置所经过的目录的序列就构成了路径。UNIX/Linux文件系统中可以使用绝对路径和相对路径两种形式来访问文件。绝对路径就是从根目录出发到该文件的路径。因此绝对路径总是以“/”（代表根目录）开始，例如图1.1中文件wife的绝对路径就是/home/zhangsan/wife。绝对路径精确地指明了文件所处的位置，所以不管当前在哪个目录下工作，都可以用此来指定任何目录中的文件位置。相对路径是从当前工作目录开始到文件所处位置的路径。假设当前正在图1.1的home目录下工作，则访问wife的相对路径就是zhangsan/wife,访问bin目录的相对路径是../bin。在相对路径中经常使用"."来代表当前路径，使用".."来代表父路径。

2.文件系统的使用

下面介绍Linux中提供的用来操作文件和目录的一些命令。

2.1查看当前工作目录

pwd命令用来显示当前工作目录的绝对路径，该命令不带任何选项和参数，如：

[shawnee@localhost ~]$ pwd
/home/shawnee

2.2改变当前目录

改变当前工作目录的命令是cd，可以让用户从一个目录转到另一个目录下去工作：

[shawnee@localhost ~]$ cd /home
[shawnee@localhost home]$

另外，不带任何参数的cd命令可以让用户从系统的任何目录中回到用户主目录：

[shawnee@localhost test]$ cd
[shawnee@localhost ~]$

2.3查看目录内容

ls命令用来查看指定目录的内容，如果参数是目录则列出目录下的子目录和文件信息，如果参数是文件则列出该文件名及相关信息，如果没有指定目录或文件，则列出当前目录下的子目录和文件信息。缺省输出信息按文件名的字母顺序排列。

使用格式为： ls [-选项] [目录或文件]

常用的选项有：

-a:显示指定目录中所有的文件，包含以“.”开头的隐藏文件

-c:按文件的修改时间排序显示

-i:显示每个文件的i节点号

-l:以长格式显示文件的详细信息

-s:以块为单位显示每个文件的大小

-S:按文件从大到小顺序显示

-R:循环列出子目录的内容

[shawnee@localhost ~]$ ls -l
总用量 4
drwxrwxr-x. 2 shawnee shawnee 21 1月 30 05:28 test
-rw-rw-r--. 1 shawnee shawnee 439 1月 30 02:31 whoput
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 公共
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 模板
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 视频
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 图片
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 文档
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 下载
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 音乐
drwxr-xr-x. 2 shawnee shawnee 6 1月 25 09:05 桌面

总用量列出占用的数据块的多少。输出的信息有7列，依次为文件类别和权限、链接数、文件拥有者、文件所属组、文件大小、文件创建或修改时间、文件名。

表示文件类别和权限的第一列有10个字符，第一个字符表示文件类型，代表的含义如下：

-:普通文件

d:目录文件

b:块设备文件

c:字符设备文件

l:符号链接文件

第一列的后面9个字符代表3组访问权限，分别授予：所有者、同组用户、其他用户。每一组的3个字符分别代表读、写、执行权限，-表示没有相应权限。

2.4查看文件类型

file命令用来显示指定文件的类型（可以用多个文件名作为参数）：

[shawnee@localhost ~]$ file test whoput
test: directory
whoput: UTF-8 Unicode text

2.5更改文件权限和存取时间

（1）更改文件权限命令 chmod

该命令用来改变指定文件或目录的访问权限。其使用格式为：

chmod mode 文件名或目录名:

#chmod 764 whoput

该命令将使文件whoput的权限更改为111110100，即文件所有者有读、写、执行权限，同组用户有读、写权限，其他用户只有读权限。

chmod也可以使用符号来改变权限mode:(user,group,other,all)

#chmod u=r+w+x,g=r+w,o=r whoput

例：给test的所有用户增加执行权限：

#chmod a+x test

chmod还有另外一个可用的选项-R用来更改指定目录中所有文件和子目录的权限，如：

#chmod -R a+r /home/sharefolder将使sharefolder文件夹的所有内容供所有用户读取。

（2）更改文件存取时间命令 touch

该命令用来更改指定文件的存取和修改时间，缺省更改为系统当前时间。如果指定文件不存在，则创建一个新的空文件：

-a:只更改存取时间

-m:只更改修改时间

-d time:使用指定的时间来修改，time格式为yyyymmddhhmm.ss。

#touch test 将文件test的存取和修改更改为当前时间

#touch -d 20100718 touchfile 创建touchfile,并将存取和修改时间设为2010年7月18日

2.6查看文件内容

（1）cat命令

该命令可以依次显示一个或多个文件，也可以用来连接文件。

例：显示当前目录中文件whoput的内容：

#cat whoput

例：将当前目录中文件txtfile1、txtfile2连接成一个文件txtfile：

#cat txtfile1 txtfile2>txtfile

（2）more命令

该命令用来分页显示指定文件的内容，每显示一页（屏）后暂停，并在底部高亮度显示已显示内容所占文件百分比，如--More--(8%)。此时，按空格键显示下一页内容，按Enter键向下翻一行，按q键退出命令。

例：分页显示当前目录下文件txtfile的内容：

#more txtfile

（3）less命令

该命令是Linux系统中比more更高级的显示文件内容命令，允许在文件中向后或向前浏览。其用法类似于more.

（4）head命令

该命令用于显示指定文件的前几行。可以用来快速确认是不是所需的文件：

#head txtfile

缺省显示文件的前10行。也可以使用选项来指定：

-nums:显示文件的前nums行。

-c nums:显示文件的前nums个字符。

（5）tail命令

该命令用来显示文件的最后几行：

#tail txtfile

缺省显示文件的最后10行。也可以使用选项来指定：

-nums:显示文件的最后nums行。

-c nums:显示文件的最后nums个字符。

2.7创建和删除目录

（1）创建目录命令mkdir

该命令能够在指定的路径下创建一个新的子目录，如：

#mkdir /home/student/music

-m权限:为新建目录设置权限，权限使用3个八进制数字表示

-p:一次创建多个目录

例：在点钱目录下建立一个名为newdir的新目录，同时在该新创建的目录下再创建一个childdir目录。

#mkdir -p newdir/childdir

（2）删除目录命令rndir

该命令用于删除指定路径下的一个或多个空目录，如：

#rmdir /home/student/music

将删除上面所建立的music目录，前提是music目录下已经没有内容。

常用的选项是-p,该选项在删除目录后，如果其父目录也为空，将一同删除。

2.8复制、移动、删除、链接

（1）复制文件命令cp

例：将当前目录下的whoput文件复制到/home/student目录下

#cp whoput /home/student

例：将目录/usr/mary 下的所有子目录和文件复制到目录/home/liuliu中

#cp -r /usr/mary /home/liuliu

（2）移动命令mv

若在不同路径下，将进行移动操作，相当于搬家；若在相同路径下，将进行更名操作

例：将当前目录下的test文件移动到/home/student目录下

#mv test /home/student

例：将当前目录下的function.txt文件更名为myfun.c文件

#mv function.txt myfun.c

（3）删除命令rm

例：递归地（-r）删除目录/usr/mary/music下的所有文件及其子目录

#rm -r /usr/msry/music

使用rm命令要小心，一旦文件被删除，是不能恢复的

（4）建立链接命令ln

该命令能够为指定的文件在另一个位置建立一个链接。当需要在不同的目录下用到相同文件时，不需要再每一个目录下都放一个相同的文件，而只要在一个位置存放该文件，然后在其他用到该文件的地方用ln命令建立链接(link)即可，这样就避免了重复占用磁盘空间。而且只要在一个地方对文件进行了修改，在任何地方引用该文件，都会看到对文件所做的改动。

ln命令在不使用任何选项时建立的链接为硬链接，如：

#ln test /home/student/mytest

此时，mytest和test不分主次，只是一个文件的不同名字而已，都指向该文件在磁盘上的存放位置。事实上建立硬链接只是在链接所在的目录文件中增加一个目录项，而目录项中的i节点号和源文件所在目录项中的i节点号相同，即对同一个文件i节点号的多次引用。

硬链接有如下限制：不能对目录建立硬链接，不能在不同的文件系统间建立硬链接。

而符号链接则没有这些限制。建立符号链接需要使用-s选项，如：

#ln -s /user/mary/test /home/student/mylink

与硬链接不同的是，符号链接确实建立了一个新文件，所以mylink是一个新的文件，只是在对该文件进行读写时，和访问/usr/mary/test文件一样，有点类似于Windows下的快捷方式。事实上，符号链接文件的内容存放的是被链接文件的路径

2.9统计、排序、比较

（1）统计文件内容命令wc

该命令用来统计指定文件的行数、字数和字符数，常用选项为：

-c:统计字符数

-l:统计行数

-w:统计字数

例：统计当前目录下test文件行数、字数和字符数：

#wc test

则依次输出文件test的行数、字数和字符数。

（2）排序命令sort

该命令用来对指定文件中所有的行进行排序，并将结果显示在标准输出上。若不指定输入文件，则排序内容将来自标准输入。

排序是根据从输入行抽取的一个或多个关键字进行比较来完成的。排序关键字定义了用来排序的最小的字符序列。缺省情况下以整行为关键字按ASCII字符顺序进行排序。

-o filename：将排序输出写到输出文件中而不是标准输出。

例：将当前目录下的test文件进行排序，并将排序结果输出到文件sorttest中。

#sort -o sorttest test

（3）比较文件内容命令comm和diff

comm命令用来对两个已经排好序的文件进行比较，comm读取这两个文件，其格式为：

comm [-123] file1 file2

然后生成三列输出：仅在file1中出现的行；仅在file2中出现的行；在两个文件中都存在的行。如果文件名用“-”则表示从标准输入读取。选项1、2、3表示不显示相应的列，如：

#comm -12 file1 file2 则只输出file1和file2中共有的行。

diff命令用来逐行比较两个文本文件，列出其不同之处。它不要求事先对文件进行排序。

2.10查找文件

find命令用来在目录结构中查找文件所在的位置，并执行相应的操作。其使用格式为：

find 搜索路径搜索选项执行动作

搜索路径指明从哪里开始查找，find会递归地搜索其包含的所有子目录；搜索选项指明查找内容；执行动作指明一旦找到所要的文件如何处理。

例：在/usr/mary 中查找所有的.c源文件，并把查找结果输出到屏幕上

#find /usr/mary *.c -print

例：在根目录下查找并删除tmpfile文件，但在删除前要求确认。

#find / -name tmpfile -ok rm {} \;

2.11文件内容检索

grep命令用来在指定文件中检索匹配指定字符串的行，其使用格式为：

grep [选项] 要检索的字符串文件名