文件系统

一、基本文件系统

1.1 ext文件系统

1. 使用虚拟目录来操作硬件设备，在物理设备上按定长的块来存储数据。
2. 使用“索引节点”来存放虚拟目录中所存储文件的信息。
3. 每个物理设备都有一个索引节点表，存储在虚拟目录中的每一个文件在索引节点表中都有一个条目。
4. 通过索引节点号，就可以在索引节点表中找到具体的索引节点。文件系统通过索引节点号来标识文件。
5. 索引节点是文件系统中用来存储文件元数据（Metadata）的数据结构。每个文件和目录都对应一个唯一的 Inode，它记录了文件的属性和存储位置，但不包含文件名和实际数据内容。
   • 文件名存储在目录结构中，目录条目将文件名与对应的 Inode 号关联起来。
     • 目录结构就是以根目录为起点的树形目录结构。目录本质上也是一种文件，与普通文件不同，目录存储的是目录条目。
     • 目录条目的具体内容：文件名(文件+目录)+inode号码
   • 文件的实际数据存储在数据块中，Inode 仅通过指针指向数据块。

1.2 etx2文件系统

1. 是etx的扩展，etx文件大小不能超过2GB，ext2增加到了2TB。
2. ext按块存储系统，容易分散在整个设备，这就是碎片化，查找时，需要更长的时间。ext2按组分配磁盘块，文件系统在读取文件时就不需要查找整个物理设备了。
3. 更新文件后，要同步更新inode，假如断电了，inode没有及时更新，那就完蛋，找不到文件，或者文件信息不正确了。

二、日志文件系统

1. 之前的做法是，先写数据到存储设备，再更新索引节点。如今是，先将文件写入到临时文件，数据成功写到存储设备和索引节点后，再删除对应的临时文件。如果更新时断电了，下次再读取日志文件，并处理上次未处理的文件即可。
2. 有三种不同的方式
   • 数据模式：索引节点和文件都会被写入日志，风险低，性能差
   • 有序模式：只有索引节点数据会被写入日志，只有数据成功写入后才删除。
   • 回写模式：只有索引节点数据会被写入日志，但不控制文件数据何时写入，风险高。
3. ext3文件系统，引入了日志。默认是有序模式。仍有缺点：无法恢复误删的文件，没有任何内建的数据压缩功能，也不支持加密文件。
4. ext4：支持数据压缩和加密；支持区段：区段是连续的空间，如果数据少，那么区段也少，可以直接放inode中，如果区段太多了就会用B+树来存储，区段长度可以不一致；

三、写时复制文件系统

1. 写时复制：如果修改数据，使用快照，修改过的数据并不会直接覆盖当前数据，而是放入文件系统另一个位置。即使是数据修改完成，之前的旧数据也不会被重写。举个例子：文件内容有a数据块和b数据块，如果现在只修改了a数据块，就会新建一个a'数据块，然后文件指针指向a'数据块和b数据块，可以看到，原来的a数据块是没有修改的。

四、操作文件系统

4.1 创建分区

1. 一开始，必须在存储设备上创建分区来容纳文件系统。分区可以是整个硬盘，也可以是部分硬盘，用来容纳虚拟目录的一部分。
   • 我插入一个U盘，需要分区吗？
     • U 盘是空的或已格式化，但没有分区，这个时候需要
     • U 盘已经有分区且文件系统已设置，可以不分区
     • U 盘已有分区，但文件系统格式不合适，需要分区
2. fdisk是用来管理安装在系统上的任何存储设备上的分区。例如fdisk /dev/sdb后者是设备名，然后会进入交互模式。
3. p：将存储设备的详细信息显示出来。
4. n：在该存储设备上创建新的分区。
5. 然后会询问你，是创建主分区p，还是扩展分区e
   • 主分区：在传统的分区表中，一个存储设备最多只能有4个主分区。可以用了与存储数据，也可用于安装操作系统。
   • 扩展分区：扩展分区本身不能存储数据，是用来创建逻辑分区的。逻辑分区功能和主分区类似。扩展分区只能有一个。
6. 然后询问分区号，然后询问分配大小。
7. 不同的分区，操作系统会认为是不同的设备，假设一个U盘有4个分区，那么操作系统会认为有四个设备。
8. 创建完成之后w将更改保存到存储设备中。
9. 只创建分区后，是不能直接进行读写操作的
   • 分区只是划定了空间：分区表中记录了分区的起始和结束地址，但分区本身还没有文件系统。
   • 没有文件系统，无法管理数据：文件系统负责将数据组织成文件和目录的形式。如果没有文件系统，分区中的空间是“原始”状态，操作系统无法识别或管理数据。
10. 创建分区的本质是修改分区表(分区表一直都存在)，分区表作用：
    • 记录每个分区的起始位置、结束位置、大小、类型等元信息。
    • 操作系统通过解析分区表来找到分区，从而加载对应的文件系统。

4.2 创建文件系统

1. 在将数据存储到分区之前，必须用某种文件系统对其进行格式化，这样Linux才能使用它。
2. mkefs 创建一个ext文件系统
3. mke2fs 创建一个ext2文件系统
4. mkfs.ext3 创建一个ext3文件系统
5. mkfs.ext4 创建一个ext4文件系统
6. mkreiserfs 创建一个ReiserFS文件系统
7. jfs_mkfs 创建一个JFS文件系统
8. mkfs.xfs 创建一个XFS文件系统
9. mkfs.zfs 创建一个ZFS文件系统
10. mkfs.btrfs 创建一个Btrfs文件系统
11. 为分区创建了文件系统之后，下一步是将它挂载到虚拟目录下的某个挂载点，这样就可以将数据存储在新文件系统中了。

4.3 实践

1. 首先一个U盘，要想使用，必须先创建分区
   • 假设设备是/dev/sda，大小4G，然后创建了一个主分区1G，此时就会多一个/dev/sda1
     • 为啥要创建主分区？为啥不创建扩展分区？扩展分区，你可以理解为“槽位”不够了，所以需要扩展分区。“槽位”一共只有4个，如果你需要5个主分区，这个时候，你可以将前三个“槽位”创建主分区，然后最后一个“槽位”创建扩展分区，然后再在扩展分区中，创建两个逻辑分区，也就是说，现在可以用的就是主分区1，主分区2，主分区3，逻辑分区1，逻辑分区2，五个分区了。注意，实际上逻辑分区1，编号是4，逻辑分区2，编号是5。使用起来，逻辑分区和主分区没有区别。
2. 创建完分区，就可以在分区上创建文件系统了。每个分区可以理解为是独立的。
3. 创建完文件系统，就可以直接挂载了。注意挂载的是/dev/sdb1，是带编号的这种。

五、逻辑卷管理

5.1 逻辑卷管理布局

1. 逻辑卷是啥？
   • 逻辑卷就是多个物理卷组合起来，然后形成的一个整体。
   • 为什么需要逻辑卷？逻辑卷更加灵活，假设一个设备分区太小了，并且磁盘已经用完了，此时只能换磁盘，并且将数据迁移到新磁盘。但是逻辑卷可以动态加物理卷，注意，这里的物理卷，可以来自不同的磁盘。
2. 物理卷又是啥？
   • 物理卷可以是一个分区，也可以是整个设备。例如一个物理卷可以是/dev/sdb1，也可以是/dev/sdc

5.2 使用LVM

1. 创建物理卷

   • 假设现在有五个分区，分别是/dev/sdb1、/dev/sdb2、/dev/sdb3、/dev/sdc1、/dev/sdc2，，使用pvcreate /dev/sdb1 /dev/sdb2 /dev/sdb3 /dev/sdc1 /dev/sdc2创建物理卷

     • 这里有个问题，这些分区，要修改其类型，fdisk后，使用t修改类型为8e，标识这是LVM系统的一部分，而不是一个直接的文件系统。

   • 使用pvs查看物理卷

     • 使用pvdisplay 设备，查看物理设备的具体信息

2. 创建卷组

   • vgcreate vg1 /dev/sdb1 /dev/sdb2 /dev/sdb3 /dev/sdc1，这三个为一个卷组
   • vgcreate vg2 /dev/sdc2，这一个单独为一个卷组
   • 使用vgs查看卷组
     • 使用vgdisplay 卷组名，查看卷组细节

3. 创建逻辑卷

   • lvcreate -l 100%FREE -n lv1 vg1
     • -l 100%FREE使用物理卷全部空间
     • -n lv1指定逻辑卷的名称
   • lvcreate -l 100%FREE -n lv2 vg2
   • 查看逻辑卷信息lvdisplay 卷组名，注意，这里是卷组名，查看该卷组下所有逻辑卷信息。
   • sudo lvdisplay /dev/vg1/lv1查看某一个逻辑卷

4. 格式化逻辑卷

   • mkfs.ext4 /dev/vg1/lv1格式化逻辑卷1
   • mkfs.ext4 /dev/vg2/lv2格式化逻辑卷2

5. 然后就可以挂载/dev/vg1/lv1和/dev/vg2/lv2

6. 一些常用的其他命令

   • vgchange 激活和禁用卷组
   • vgremove 删除卷组
   • vgextend 将物理卷加到卷组中
   • vgreduce 从卷组中删除物理卷
   • lvextend 增加逻辑卷的大小
   • lvreduce 减小逻辑卷的大小