linux文件系统进阶篇

咬咬

发布于 2024-06-12 14:13:23

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发布于 2024-06-12 14:13:23

文章被收录于专栏：学习笔记学习笔记

前言：

认识磁盘：

CHS寻址法：

LBA寻址法：

Data blocks数据块：

Block Bitmap（块位图）：

Inode Table（inode 表）：

Inode Bitmap（Inode位图）：

Group Description Table（组描述表）：

Super Block（超级区块）：

文件系统的挂载：

前言：

在之前我写过一篇关于linux的虚拟文件系统的博客，不过那篇主要是介绍打开的文件是如何在linux系统中被管理和存储的，那么这篇进阶版文件系统就要介绍一下，当文件没有被打开的时候，它在linux系统中是如何被管理和存储的。

认识磁盘：

对于文件的不带电存储，肯定第一想到的是磁盘，当然现在磁盘已经几乎没有民用的了，民用的磁盘已经被固态硬盘取代了，因为固态硬盘的读取效率更高，但也意味着成本更高。所以对于企业级的存储设备，大多数企业还是会选择磁盘这种性价比更高的存储设备，下面我们来简单认识一下磁盘：

磁盘：圆形的碟片，主要存储数据的地方，磁盘工作时会被中间的马达带动高速转动，磁盘上面其实就是有很多小磁铁，用于存储数据。 磁头臂：被马达带动上面的磁头左右扫描磁盘。

注意磁盘不止一片，下面还有好几片，磁头臂也不止一个，每个磁盘上面都有一个磁头臂，磁头臂和磁盘是不接触的！！！磁头臂是悬浮在磁盘上的，工作时通过磁头改变对应磁盘上的小磁铁的磁极来实现数据0和1的转换。

CHS寻址法：

如上图所示，我们要找到一个文件，就得先确定它在哪个磁盘也就是找到柱面（Cylinder），然后再通过这个柱面找到这个柱面上得磁头（Header），磁头左右扫描定位磁道，磁盘的高速旋转来确定数据在哪个扇区（Sector），这就是CHS寻址法。所以我们只要有每一个文件的CHS就能找到每一个文件。

上述讲的是物理的寻址方法，但liunx操作系统并不是这样定位文件的，因为CHS方法耦合度太高了，linux是采用LBA（Logical Block Address）逻辑区块地址的方法来对磁盘的存储进行逻辑抽象。

LBA寻址法：

想必大家小时候都见过磁带：

磁带在里面的数据一开始卷在一起的，当开始读取的时候就会转动齿轮开始读取，然后卷着得数据，我们就可以线性读取，我们的磁盘也可以做到。磁盘被操作系统扫描后，也可以看作成一个线性的数组，这样对磁盘的管理就是对数组的管理，所以整个磁盘可以抽象成下图：

我们将数组的每4kb规定为一个逻辑块，以后我们的文件都以块为单位存储，内存大于一个块的，用多个块存储，小于一个块的，就用一个块存储（这个块中剩余的被浪费），分为块后，因为数组可能太大不好管理，就进行了分区，进行分组管理，接下来就看看每个分组里面是怎么管理的吧：

每个分区内部又都被分为块组，每个块组里面又还有细分不同的功能区，下面我来详细介绍一下这些功能区：

Data blocks数据块：

顾名思义这里是用来存放文件数据的地方，里面的结构大致如下图：

里面都是以块为单位的，块的大小有1kb，2kb，4kb，一般使用4kb大小，每个块都有编号，这样方便inode记录，每个区块只能存放一个文件的数据。

Block Bitmap（块位图）：

这里面存放的是01序列，用来表示Data blocks里的哪些块被占用了，哪些块没有被占用，占用的用1表示，没占用的用0表示。

Inode Table（inode 表）：

这块表非常重要，里面存放了文件的属性主要有：

文件的权限。 文件的拥有者和所属组。 文件的大小。 文件的建立和改变状态的时间。 最近一次读取时间。 文件的inode编号。 文件的真正内容指向。（int datablocks[N]）

注意这里面是没有文件名的哦！！！为什么？后面讲。

里面文件内容的指向仅用了一个数组（datablocks[N]）这里面的N一般是15，这里你肯定会有疑问，这么小的一个数组，如果我有一个大文件他该怎么办呢？这就需要我们看看这个数组内部：

0-11号直接寻址，12号间接寻址，13号双间接寻址，14号三间接寻址，通过这样的方法就可以找到更多的块，实现大文件的存储。

再来谈谈inode编号，inode编号对文件来说很重要，一个文件对应一个inode编号，我们每次查找文件都必须先得到文件得inode，如何得到呢？文件属性里面是没有文件名的，那文件名在哪呢？在目录的文件内容里，目录也是一个文件，它的文件内容就是文件名和它的inode，没错目录文件就像一张映射表，里面有这个目录下每个文件的文件名和inode编号，所以每次查找文件linux都会先查找目录文件的内容来获取该文件的inode编号，再通过inode编号去inode table里面查找该文件的属性，在属性里面找到databalock数组，通过这个数组最后找到文件的数据。

Inode Bitmap（Inode位图）：

和block bitmap功能相似，里面是01序列，用来表示inode table里哪些块被占用了。

Group Description Table（组描述表）：

这个主要用来描述这个群组在这个分区的开始与结束区块，以及说明每个区段（inode table，inode bitmap，data block等等）分别介于哪个区块之间。

Super Block（超级区块）：

这个区块对文件系统来说很重要，里面主要存放了：

数据区块与inode的总量。 未使用与已使用的inode与数据区块的数量。 数据区块与inode的大小。 文件最近一次修改时间，最近一次检验磁盘。 一个有效位数值，若此文件系统已被挂载，则有效位为0，若未被挂载则有效位为1。

看似Surper Block里面存放的数据关乎整个分区，但它不是放在这个分区的最开始，而是放在了这个分区的几个组里，为什么？因为Surper Block太过重要，如果磁盘不小心被刮花，刮到这片区域，整个文件系统就彻底报废，所以多设置几个Surper Block同步更新里面的数据，当部分Surper Block里的数据损坏时，就可以用其他没有损坏的Surper Block里的数据来对其进行恢复，从而保证了文件系统的稳定性。