【Linux】Ext系列文件系统
📝前言：
这篇文章我们来理解一下Linux文件系统
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这里写目录标题
- 一，理解硬件
- 1. 物理结构
- 2. 逻辑结构
- 二，文件系统
- 1. 文件系统基本概念
- 2. ext2 文件系统
- 块组内部构成
- Data Blocks
- inode table
- Block / inode Bitmap
- GDT
- Super Block
- 3. 理解一
- 4. 目录与文件名及路径解析
- 5. 路径缓存
- 6. 挂载分区
- 7. 总结
- 三，软硬链接
- 1. 软链接
- 2. 硬链接
一，理解硬件
在学习文件系统之前，我们需要先了解一下磁盘这个机械外设，在这里我不过多讲解，可能看看这篇文章。我提取并补充一些重要的知识：
1. 物理结构
物理结构基本了解：
- 磁头用于在磁盘上寻址（定位磁道和定位扇区），所有磁头由机械臂杆控制，是共进退的
- 往磁盘写入，本质上就是在改变盘片上“颗粒”（最小存储单元）的南北极 / 高低电平…（这些具有两态性的，能表示 0 / 1的）
- 扇区：是磁盘存储数据的基本单位，512字节，块设备
- 如果要改一个扇区的一个bit位，OS都得把一整个扇区的512个字节全部加载到内存里，修改完那一个bit后再写回
- 如何寻找扇区（CHS定址方法）
- 磁头先选柱面（Cylinder）
- 再确定是哪一个盘面上的磁头（Head）
- 然后等待磁盘旋转，等到对应扇区（Sector）转到在磁头下
- 磁盘容量 = 磁头数 × 磁道(柱⾯)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数
2. 逻辑结构
逻辑结构基本了解：
- 某⼀个磁道展开，是一个一维数组
- 某一柱面的所有磁道展开，是一个二维数组（每一行是一个磁道）
- 把整个磁盘的所有柱面展开，是一个三维数组（每一层是一个柱面）
- 又因为，三维数组在物理存储中，本质上是连续（线性）存储的（约等于还是一位数组存储），所以我们可以直接用数组下标来得到某一扇区的地址，即：LBA地址
- OS使用 LBA地址，交给磁盘以后，磁盘自动把LBA 转换成CHS地址然后搜索对应扇区
二，文件系统
我们想要在硬盘上储⽂件，必须先把硬盘格式化为某种格式的文件系统，才能存储文件。文件系统的⽬的就是组织和管理硬盘中的文件
1. 文件系统基本概念
块：
- 磁盘是“块”设备
- OS在读取磁盘文件的时候，会一次性读取多个扇区（因为磁盘太慢了），即：一个“块”
- ⼀个”块”的大小是由格式化的时候确定的，常见的是4KB为一块
分区：
- 我们将一个盘，进行分区。把管理一个盘变成 → 管理多个区，区与区之间又可以用相同的管理方法
- 同样，分区又被分成组（分区和分组的方式，也是通过记录起始位置和结束位置来划分，每个组的大小一样）
inode（索引节点）：
- 用于存储文件的元数据信息，包括指向文件对应的数据块的指针
- 通过 inode，系统可以快速获取文件的属性信息，而无需扫描整个文件系统来查找文件的相关信息
- 文件名不存储在inode中，但是
inode会存储inode_number来标识文件 inode_number可以跨组编号，但是不能跨区编号。即：一个组内不能出现同一个编号（一个区内编号唯一），但是不同区内可以出现同一编号- 每个文件的基本属性项是相同的（如，都有
type，size…），对应的值不同。所以每个struct inode的大小是一样的
2. ext2 文件系统
只要我们管理好一个组，就相当于管理好了一片区，就相当于管理好了一个盘。所以下面我们对每个组的结构进行了解
块组内部构成
Data Blocks
- 数据区：存放文件内容
- 一个文件通过
inode里的指针可以找到对应的数据块 - 如果一个文件过大，一个块（4KB）存不下，可以建立多级索引表，即块中存储指向别的块的指针，从而增大容量（并且可以跨组，但是不能跨区）
- Block 号按照分区划分，不可跨分区
inode table
- 用来存储该组内，所有文件的
inode信息 inode table如果一块（4KB）不够用，也可以建立多级索引表- inode编号以分区为单位，整体划分，不可跨分区
Block / inode Bitmap
- Block Bitmap：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：每个 bit 表示⼀个 inode 是否空闲可用
- 文件的删除操作，无序删除data block里面数据块的内容，只需要改变block bitmap 和 inode bitmap 1 → 0就行，代表可用，下次就会覆盖写了。（格式化就是全置 0 了）
GDT
- 块组描述符表，描述块组属性信息，整个分区分成多个块组就对应有多少个块组描述符
- 每个块组描述符存储⼀个块组 的描述信息，如在这个块组中从哪里开始是inode Table，从哪⾥开始是DataBlocks，空闲的inode和数据块还有多少个等等。块组描述符在每个块组的开头都有⼀份拷贝
Super Block
- 存放⽂件系统本⾝的结构信息，描述整个分区的文件系统信息
- 不是所有的group里面都有super block，部分有，且这些super block的内容都一样
- 为什么存多份？用于备份（因为super block是用来描述整个分区的，如果损坏了，那整个分区就乱了）
操作系统开机时，就会把磁盘的管理信息super block加载到内存里。而GDT、Block Bitmap、inode Bitmap（是按需加载）
3. 理解一
我们捋一遍访问的过程：
当我们拿到文件inode_number的时候，就可以到对应的块组的inode table里面找到对应的struct inode，然后通过struct inode可以知道文件对应的属性，以及有了指向数据块的指针，也可以拿到数据。这时候就成功访问了对应的文件。
但是inode_number怎么得到呢？通过目录。
4. 目录与文件名及路径解析
- 在Linux中，目录也是文件
- 目录的内容，存储的就是当前目录下，普通文件的文件名和它的
inode_number的映射关系 - 我们访问一个文件的时候必须带路径（绝对 / 相对 / 默认）：
- 我们直接使用文件名：本质还是用的当前路径 + 文件名
- 因为如果要找到一个文件的
inode_number必须到上层目录的内容里面查找映射关系 - 所以我们要访问任何一个文件，都需要从根目录开始，层层解析，直到在我们要访问的文件的目录里找到
inode_number（这就是Linux路径解析）
- 根目录是在开机的时候就自动打开的
一条命令ls code.c，路径都是由谁提供的？
ls的路径由系统提供：进程通过env找到PTAH默认路径code.c的命令用户提供：即当前的相对路径
5. 路径缓存
访问任何⽂件，都要从/目录开始重新进行路径解析吗？
答：
- 不是
- 因为这样太慢。每次在目录里面找映射关系，也是对磁盘的IO，访问外设太慢。
- 所以，Linux会缓存历史路径结构（用
dentry树，用于维护树状路径结构）。
dentry树（内存数据结构）：
- 每个文件名（普通文件和目录）对应一个
dentry，dentry在struct file里，dentry里面存储了指向对应文件inode的指针 - 这些
struct dentry会被系统用一颗树组织起来 dentry节点同时也会属于LRU（最近最少使⽤）结构中，用于淘汰。会属于Hash结构，方便快速查找dentry树，整体构成了Linux的路径缓存结构。- 访问任何⽂件，都在先在
dentry树下根据路径进行查找，找到了就可以通过里面的指针找到对应的inode - 没找到就从磁盘加载路径，添加
dentry结构，缓存新路径
- 访问任何⽂件，都在先在
6. 挂载分区
我可以用inode_number的在一个分区内找到对应文件的inode，但是我们怎么知道它属于哪个分区呢？
- 分区写入文件系统，无法直接使用，需要和指定的目录关联，进行挂载才能被用户访问。
- 通过挂载点，我们就可以知道这个文件属于哪个分区（即：可以根据访问⽬标⽂件的 路径前缀 准确判断我在哪⼀个分区。）
- 如：将
/dev/sda1挂载到/mnt/datamount /dev/sda1 /mnt/data- 挂载后，访问
/mnt/data目录实际上就是访问/dev/sda1分区的内容，我们就知道是哪个分区了
7. 总结
图片来自：极客时间趣谈操作系统
三，软硬链接
1. 软链接
- 软连接是创建了独立的文件
- 语法：
ln -s [源文件或目录] [目标软链接文件或目录]
- 例如，要为当前目录下的
file.txt文件创建一个名为file_link.txt的软链接
ln -s file.txt file_link.txt
- 建立好以后，运行
file_link.txt== 运行file.txt（相当于file_link.txt是file.txt的快捷方式）
示例：
当前目录下建立软链接：
建立一个软链接在上级目录：
- 路径一定要写清楚
- 如果链接成：
b.exe -> a.exe，则你在b.exe的目录下运行b.exe的时候，也是去当前目录下找a.exe的
2. 硬链接
语法：
ln [源文件或目录] [目标软链接文件或目录]
- 硬链接不是独立的文件，硬链接只是⽂件名和目标文件
inode的映射关系 .和..就是硬链接- 硬链接可以用于文件备份
- 但是，用户不能给目录进行硬链接，只有Linux系统可以（如
.和..，因为怕用户乱链接，形成文件呢路径环问题）
示例：
ls -li：可以查文件inode_number- 可见，
a.exe，文件权限后面的数字为2，代表硬链接数为2
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