[Linux]文件系统

文件系统

在理解文件系统之前，我们先来看一下关于磁盘方面的内容。

磁盘的存储结构

1. 盘面：

   一个磁盘由多个盘片组成，每个盘片都由两面，它的每一个面都可以存储数据，这就是盘面。

2. 磁道：

   在一个盘面上会被划分为一个一个的“圈”，这个“圈”就对应这一个个的磁道。

3. 扇区：

   从盘面中心开始，延伸出两条线，在这两条线之间磁道被划分为一个个的扇形，这就是扇区。一般来说每个扇区存储数据的容量是相同的，因此最内侧的数据密度大，最外侧的数据密度小。

4. 磁头：

   有多少个盘面就有多少个磁头，每个磁头连在同一个磁臂上。

5. 柱面：

   其实就是磁道，只不过是由相对位置相同的磁道组成。

那么如何在磁盘中定位一个扇区呢？

首先先确定在哪一个柱面，然后再选择磁头（也就是定位盘面），最后就可以定位扇区。这种方法称为CHS定位法。

为什么要先选择柱面而不是盘面呢？

磁头在不同柱面之间移动需要磁盘的机械臂进行大幅度的物理位移，这个过程相对较慢。当读取连续的数据时，若是采取先盘面的方式，它需要频繁的移动磁头来切换磁道，而若是采取先柱面的方式，那么只要确定了磁道，那么只需要切换磁头就可以了，没有物理位移。

磁盘的逻辑结构

磁盘在物理上是圆形的，但是在逻辑上我们通常将它抽象为线性结构，这样更易于管理。如下图

这样我们就可以将磁盘看成是一个数组，每个扇区对应一个数组下标。这种地址为LBA地址。LBA地址通过一些简单的计算既可以得到CHS地址。

文件系统

一般来说访问磁盘的基本单位是512字节，但是依旧很小，IO次数频繁。操作系统的文件系统会定制的进行多个扇区的读取，比如说1KB，2KB，4KB为单位（可以设置）。你哪怕只想读取或修改1bit，依旧需要将4KB的数据读取到内存。

但是这样是不是浪费了内存空间呢？此时就诞生了一项新的技术，局部性原理。当访问某个数据时，它周围的数据也有可能被访问。

综上，内存被划分为了一个个4KB大小的空间，叫做页框。磁盘中的文件（尤其是可执行文件），也是按照4KB划分好的块，叫做页帧。将数据从磁盘加载到内存，就是将页帧填到页框中。

假设一个磁盘有400GB，为了便于管理。可以按照分治的思想，将400GB的空间划分为一个个比较小的区域。这就是常说的分区和分组。

• Boot Block（启动块）：是计算机磁盘（如硬盘、软盘等）上的一个特殊区域，它包含了启动计算机系统所需的初始指令。大小是确定的。

• Block Group：文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相 同的结构组成。

• 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：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。

• Group Descriptor Table（组描述符表）：这个描述符包含块组的起始块号（即该块组从磁盘的哪个物理块位置开始）、块组内的块位图（Block Bitmap）的位置，块位图用于标记块组内每个块的使用状态（是已使用还是空闲）。

• Block Bitmap（块位图）：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。

• inode Bitmap（inode位图）：每个位（bit）对应一个 inode。如果位的值为 1，表示对应的 inode 已被使用；如果位的值为 0，则表示对应的 inode 是空闲的。

• inode Table：保存了分组内部所有可用（已使用+未使用）的inode。inode table 中的每个 inode 通常包含多个字段。其中有文件模式（File Mode）字段，用于表示文件是普通文件、目录、符号链接还是其他特殊文件类型；还有用户标识符（UID）和组标识符（GID）字段，用于标识文件的所有者和所属组；文件大小（File Size）字段记录文件内容的字节数；时间戳（Timestamp）字段，包括文件的创建时间、最后修改时间和最后访问时间。

• Data Blocks：保存的是分组内部所有文件的数据块。

Inode

操作系统查找一个文件的时候，统一使用的都是inode编号。但是我们平时在使用的都是文件名啊，这又是为什么呢？这是因为不仅仅文件有inode编号，目录也有，因为目录也是一个文件。inode结构体中有一个指向数据块的指针，目录的数据块中放的是当前目录下文件名和inode的映射关系。

软硬链接

软链接

软链接就相当于Windows系统下的快捷方式，使用ln -s [目标文件或目录路径] [软链接文件名]创建软链接。

当然也可以在其他目录下为这个程序创建一个软链接，如下

硬链接

推荐使用unlink [链接名称]去除链接（使用rm命令同样可以）

使用ln [目标文件或目录路径] [软链接文件名]创建硬链接。

两者的区别

软链接和硬链接的核心区别就是看是否有独立的inode。

如上，软链接它有自己独立的inode编号，可以被当作独立的文件看待，它保存了所指向文件的文件路径。而硬链接没有独立的inode，说明它一定没有自己的属性集合和内容集合，一定用的是其他文件的inode和内容。也就是说，创建硬链接本质就是在指定的路径下，新增文件名和inode编号的映射关系。

当删除mytest这个文件时，ln_mytest也就是软链接受到了影响，而mytest_ln并没有受到影响，只是硬链接数目变了。说明了一个文件文件是否被删除与他的硬链接数有关，当一个文件的硬链接数变为0时，才表示他被真正的删除。

目录下的“.”和“..”

为什么当我们创建一个文件的时候它的硬链接数是1，而创建一个目录的时候它的硬连接数是2呢？

普通文件容易理解，就是inode和文件名本身就有一个映射关系，所以是1。既然目录也是文件，那么目录除了inode和文件名的映射关系外应该还有一个映射关系。这个映射关系就是目录下的"."。如下图

那“..”又是什么意思呢？请看下图，我们在empty目录下创建一个目录。会发现它的硬链接数变成了3，进入到新创建的目录中，发现这个目录下的".."就是empty目录的inode。这就说明“..”也是empty目录的硬链接。这也很好的解释了为什么我们执行cd ..命令的时候能返回到上级目录。