【Linux笔记】理解文件系统(上)

2025-04-28 00:37:34 0 阅读

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一、从硬件开始理解
- 1.1 磁盘
- 1.2磁盘的存储结构
- 1.3 CHS地址定位
- 1.4 磁盘的逻辑结构
- 1.5 真实过程
- 1.6 CHS 和 LBA 地址
二、文件系统
- 2.1 ''块''概念
- 2.2 分区概念
- 2.4 inode概念

文件=属性+内容。被打开的文件通过基础IO到内存中，没有被打开的文件在磁盘中。文件在磁盘上最基本的诉求就是被用户找到，这也是文件系统最基本的诉求。

一、从硬件开始理解

1.1 磁盘

基本结构

盘片：是存储数据的介质，一般由铝合金或玻璃等材料制成，表面涂有磁性材料。盘片通常有多个，它们叠放在一起，安装在主轴上，能够高速旋转。
磁头：负责读取和写入数据。每个盘片的上下两面都有一个磁头，磁头通过移动臂在盘片表面移动，寻找到正确的位置来进行数据的读写操作。磁头与盘片之间的距离非常小，通常只有几微米甚至更小，以实现高精度的数据读写。
电机：包括主轴电机和音圈电机。主轴电机用于驱动盘片以恒定的速度旋转，常见的转速有 5400 转 / 分钟、7200 转 / 分钟等。音圈电机则负责控制磁头的移动，使磁头能够快速、准确地定位到需要读写数据的位置。
控制电路：主要由硬盘控制器、缓存控制器等组成。硬盘控制器负责与计算机的其他部件进行通信，协调数据的- 传输和存储操作；缓存控制器管理硬盘的缓存，提高数据的读写性能。
缓存：是硬盘中的高速内存区域，用于临时存储即将被读写的数据。缓存的大小通常为几 MB 到几十 MB 不等，较大的缓存可以提高硬盘的数据读写速度和系统性能。
工作原理
数据写入：当计算机需要向硬盘写入数据时，操作系统会将数据发送到硬盘的缓存中。然后，磁头根据数据的存储地址，在盘片旋转的同时，通过电磁转换原理，将数据以磁性信号的形式记录在盘片的特定位置上。
数据读取：当计算机需要从硬盘读取数据时，磁头首先会根据数据的存储地址移动到相应的位置，然后随着盘片的旋转，磁头感应盘片上的磁性信号，并将其转换为电信号，再经过放大、解码等处理后，将数据传输到硬盘的缓存中，最后由缓存将数据发送给计算机的其他部件。
主要性能指标
容量：是指硬盘能够存储的数据量，常见的容量有 500GB、1TB、2TB 等。随着技术的发展，硬盘的容量也在不断增大。
转速：指盘片每分钟的旋转次数，转速越高，硬盘的数据传输速度就越快，寻道时间也越短。
平均寻道时间：是指磁头从一个位置移动到另一个位置并找到所需数据的平均时间，一般在几毫秒到十几毫秒之间。
数据传输率：分为内部数据传输率和外部数据传输率。内部数据传输率是指硬盘磁头与缓存之间的数据传输速度，它主要取决于硬盘的盘片转速和磁头的读写能力；外部数据传输率是指硬盘与计算机其他部件之间的数据传输速度，它主要取决于硬盘的接口类型和传输协议。
优缺点
优点：技术成熟，成本相对较低，容量大，适合大量数据的存储。
缺点：机械结构复杂，容易出现故障，抗震性能较差；读写速度相对较慢，尤其是随机读写性能不如固态硬盘。

机械硬盘在计算机存储领域曾经占据主导地位，虽然近年来随着固态硬盘的发展，其市场份额有所下降，但仍然广泛应用于个人电脑、服务器、监控设备等领域。

1.2磁盘的存储结构

扇区是磁盘存储数据的基本单位，是磁盘上的一个弧形区域。常见的扇区大小为 512 字节。扇区是数据在磁盘上存储的最小单元，计算机在向磁盘写入数据时，会将数据按扇区进行划分并存储；读取数据时，也以扇区为单位进行读取。
不同盘面（磁头）上相同位置的磁道组成一个柱面。在进行数据读写时，通常会按柱面、磁头、扇区的顺序来访问磁盘上的数据，这样可以充分利用磁盘的存储结构，提高数据访问的效率。

1.3 CHS地址定位

如何定位一个扇区呢？

先定位磁头(header)
确定磁头访问哪一个柱面(磁道)（cylinder）
定位一个扇区(sector)

文件=内容+属性都是数据，就时占据几个扇区的问题，因为扇区是存储数据的基本单位。可以通过定位多个扇区的方式访问数据与存储数据。

磁头（head）：每个盘片有上下两面，对应 2 个磁头，盘片数决定磁头总数，用于读写数据。
磁道（track）：从盘片外圈往内圈编号，是一系列同心圆，靠近主轴的同心圆用于磁头停靠，不存数据。
柱面（cylinder）：由不同盘面上相同位置的磁道构成，数量与磁道数相等。
扇区（sector）：是磁盘读写信息的最小单位，通常为 512 字节，每个磁道切分成的扇区数量相同。
圆盘（platter）：即盘片，其数量影响磁盘容量等性能。
磁盘容量：计算公式为磁盘容量 = 磁头数 × 磁道 (柱面) 数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数。
CHS 寻址方式：通过柱面、磁头、扇区三个参数定位数据，是一种常见的数据定位方式。

1.4 磁盘的逻辑结构

磁带上存储数据是在直的磁带上，是线性结构。

磁盘物理存储虽然是以扇区为单位，且是曲面的。但我们可以把磁盘抽象逻辑上理解为卷起的磁带，那么磁盘的逻辑存储结构也可以理解为线性的。

这样的线性地址叫做LBA。

1.5 真实过程

上面说过，传动臂上的磁头是共进退的。

柱面是⼀个逻辑上的概念，其实就是每一面上，相同半径的磁道逻辑上构成柱面。所以，磁盘物理上分了很多面，但是在我们看来，逻辑上，磁盘整体是由“柱面”卷起来的。

磁道展开

柱面展开

整个磁盘

抽象为线性结构

每个扇区都有一个下标，我们叫做LBA地址，其实就是线性地址。
OS只需要LBA就可以了。

1.6 CHS 和 LBA 地址

CHS 转 LBA

首先计算单个柱面的扇区总数，即磁头数 × 每磁道扇区数。
计算公式为：LBA = 柱面号 C×(磁头数 × 每磁道扇区数)+ 磁头号 H× 每磁道扇区数 + 扇区号 S - 1。
注意扇区号从 1 开始，而 LBA 地址从 0 开始，柱面和磁道从 0 开始编号。

LBA 转 CHS

柱面号 C = LBA // (磁头数 × 每磁道扇区数)。
磁头号 H = (LBA % (磁头数 × 每磁道扇区数)) // 每磁道扇区数。
扇区号 S = (LBA % 每磁道扇区数) + 1。
“//” 表示除取整。

实际应用
磁盘内部会自动维护总柱面、磁道个数、扇区总数等信息，上层开机时会获取这些参数。

对于磁盘使用者来说，通常直接使用 LBA 地址，磁盘内部会自行进行 CHS 与 LBA 的转换。可以将磁盘看作是一个元素为扇区的一维数组，数组下标就是每个扇区的 LBA 地址，操作系统使用磁盘时，可通过一个数字（LBA 地址）来访问磁盘扇区。

二、文件系统

2.1 '‘块’'概念

os文件系统访问磁盘，不以扇区为单位进行访问。而是以“块”为单位进行访问。“块”一般为8kb。

其实硬盘是典型的“块”设备，操作系统读取硬盘数据的时候，其实是不会⼀个个扇区地读取，这样效率太低，而是⼀次性连续读取多个扇区，即⼀次性读取⼀个”块”（block）。

硬盘的每个分区是被划分为⼀个个的”块”。⼀个”块”的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改，最常见的是4KB，即连续八个扇区组成⼀个 ”块”。”块”是文件存取的最小单位。

注意：

磁盘就是⼀个三维数组，我们把它看待成为⼀个"⼀维数组"，数组下标就是LBA，每个元素都是扇区
每个扇区都有LBA，那么8个扇区⼀个块，每⼀个块的地址我们也能算出来。
知道LBA：块号 = LBA/8
知道块号：LAB=块号*8 + n. (n是块内第⼏个扇区)

2.2 分区概念

其实磁盘是可以被分成多个分区（partition）的，以Windows观点来看，你可能会有⼀块磁盘并且将它分区成C,D,E盘。那个C,D,E就是分区。分区从实质上说就是对硬盘的⼀种格式化。

Linux的设备都是以文件形式存在的。柱面是分区的最小单位，我们可以利用参考柱面号码的方式来进行分区，其本质就是设置每个区的起始柱面和结束柱面号码。此时我们可以将硬盘上的柱面（分区）进行平铺，将其想象成⼀个大的平面

2.4 inode概念

之前我们说过文件=数据+属性，我们使用 ls -l 的时候看到的除了看到文件名，还能看到文件元数据（属性）。

[root@localhost linux]# ls -l
总⽤量 12
-rwxr-xr-x. 1 root root 7438 "9⽉ 13 14:56" a.out
-rw-r--r--. 1 root root 654 "9⽉ 13 14:56" test.c

到这我们要思考⼀个问题，文件数据都储存在”块”中，那么很显然，我们还必须找到⼀个地方储存文件的元信息（属性信息），比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为”索引节点”。

每⼀个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件有关的⼀些信息。为了能解释清楚inode，我们需要是深入了解⼀下文件系统。

/*
 * Structure of an inode on the disk
 */
struct ext2_inode {
    __le16 i_mode;        /* File mode */
    __le16 i_uid;         /* Low 16 bits of Owner Uid */
    __le32 i_size;        /* Size in bytes */
    __le32 i_atime;       /* Access time */
    __le32 i_ctime;       /* Creation time */
    __le32 i_mtime;       /* Modification time */
    __le32 i_dtime;       /* Deletion Time */
    __le16 i_gid;         /* Low 16 bits of Group Id */
    __le16 i_links_count; /* Links count */
    __le32 i_blocks;      /* Blocks count */
    __le32 i_flags;       /* File flags */

    union {
        struct {
            __le32 l_i_reserved1;
        } linux1;

        struct {
            __le32 h_i_translator;
        } hurd1;

        struct {
            __le32 m_i_reserved1;
        } masix1;
    } osd1;               /* OS dependent 1 */

    __le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS]; /* Pointers to blocks */
    __le32 i_generation;  /* File version (for NFS) */
    __le32 i_file_acl;    /* File ACL */
    __le32 i_dir_acl;     /* Directory ACL */
    __le32 i_faddr;       /* Fragment address */

    union {
        struct {
            __u8 l_i_frag;      /* Fragment number */
            __u8 l_i_fsize;     /* Fragment size */
            __u16 i_pad1;
            __le16 l_i_uid_high; /* these 2 fields */
            __le16 l_i_gid_high; /* were reserved2[0] */
            __u32 l_i_reserved2;
        } linux2;

        struct {
            __u8 h_i_frag;      /* Fragment number */
            __u8 h_i_fsize;     /* Fragment size */
            __le16 h_i_mode_high;
            __le16 h_i_uid_high;
            __le16 h_i_gid_high;
            __le32 h_i_author;
        } hurd2;

        struct {
            __u8 m_i_frag;      /* Fragment number */
            __u8 m_i_fsize;     /* Fragment size */
            __u16 m_pad1;
            __u32 m_i_reserved2[2];
        } masix2;
    } osd2;               /* OS dependent 2 */
};

/*
 * Constants relative to the data blocks
 */
#define EXT2_NDIR_BLOCKS 12
#define EXT2_IND_BLOCK EXT2_NDIR_BLOCKS
#define EXT2_DIND_BLOCK (EXT2_IND_BLOCK + 1)
#define EXT2_TIND_BLOCK (EXT2_DIND_BLOCK + 1)
#define EXT2_N_BLOCKS (EXT2_TIND_BLOCK + 1)