[Linux] 层层深入理解文件系统——(3)磁盘组织存储的文件

标题:[Linux] 层层深入理解文件系统------(3)磁盘组织组织存储的文件

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目录

一、磁盘中的文件

1)磁盘的物理结构

2)磁盘的CHS寻址法

3)磁盘的空间管理

二、磁盘如何组织存储文件

三、透彻的看待文件系统

四、文件分区的创建


正文开始:

一、磁盘中的文件

在之前我们谈论的文件是都是已经被加载到内存中的文件,但是我们需要知道,内存中的文件仅仅只是计算机内部文件的小部分,只有小部分文件会被加载到内存中运行,大部分文件还是会被存储在磁盘中,本文谈论的文件,就是存储在磁盘中的文件。

1)磁盘的物理结构

计算机只认识二进制,所以我们自然需要一个可以高效存储二进制数据的结构。磁盘就是这样的结构中的一种。常见的磁盘类似于我们小时候见到的光盘,但是磁盘是有多个盘面的,并且每一个盘面都可以读写数据。

磁盘可以存储二进制数据,本质是磁盘的每一小单元可以表示两种不同的状态,这每一个小单元就是一个一个的带磁性的单位,提前规定好哪一个磁性对应的0,哪一个磁性对应1,就可以实现存储数据了。

磁盘是一个多个盘面的结构,每个盘面都对应有一个磁头,磁头就是进行数据读写的装置。盘片的两面都可以读写。磁盘本质是一个机械设备,通过马达的转动和磁头的移动来定位扇区,定位磁道。

2)磁盘的CHS寻址法

在磁盘的结构中,有几个概念:

盘面: 就是数据存储在哪一个面;由于每个盘面都有一个对应的磁头,所以盘面在定位中等价于磁头(Header)


磁道: 磁盘的盘面上会一圈一圈的向外扩展出一个一个的磁道,磁道就是一个圆环(圆柱(Cylinder):因为盘面确定后,只需要确定磁道就可以了,也就是只需要确定是哪一个同心圆柱就可以了,所以称为圆柱)。

**扇区(Sector):**扇区就是一个磁道上的一部分(扇形与圆环的相交部分),在确定扇区后,磁道就是一个扇环(暂且这样称呼)。

磁盘读写的单位是扇区 (512字节),对于特殊的磁盘,可能会有更大的读写单位。

盘面,磁道,扇区的关系:

1盘面 == n磁道 == m扇区


我们想要打开一个文件,就需要确定这个文件的位置,这就需要

CHS定址法:

只要依次确定文件位于的盘面,磁道扇区,即可确定这个文件的位置。

想要理解好CHS定址法的工作原理,我们首先需要了解磁盘的存储结构。

3)磁盘的空间管理

你小时候一定见过磁带,磁带存储信息,是一条一条的可以被拉直,我们可以把磁盘看成一条线性的空间,也就是把磁盘拉直,那么磁盘就成为了一个长数组。操作系统读取的基本单位是按照扇区的,所以这个数组的每个基本单位就是一个扇区。

所以文件就是很多个扇区的下标!

假设一个盘面有1000个扇区,有10个磁道,每个磁道有100个扇区。如果随意给我们一个数组下标,比如3210,我们就可以通过计算,就可以得到这个文件的CHS地址:

3210/1000 = 3 :表明在下标为3盘面;

3210%1000 = 210;210/100 = 2;表示在下标为2的磁道;

210%100 = 10; 表示在下标为10的扇区。

于是,我们就可得出结论:文件位于 "3盘面 ,2磁道 ,10扇区"


对于操作系统而言,一次读取512字节太小了,所以一般而言,操作系统未来和磁盘进行交互的时候,读取的基本单位是:4KB (8*sector)

4KB == 8个连续的扇区

我们把这8个连续的扇区称为 "块"。

所以,文件是由很多个块构成的!!!

于是,对操作系统而言,读取数据就可以以块为基本单位了。 我们只要知道一个块地址,以及整个磁盘的总大小,那么有多少个块,每一个块的块号,如何从块地址(逻辑区块地址Logical Block Address, LBA)转化到CHS地址全都知道了!!


二、磁盘如何组织存储文件

磁盘一般比较内存比较大(800GB/1TB等)如果直接管理不容易。所以磁盘需要进行分区。

我们的PC的C、D、E盘都是一个硬盘分区后产生的一个个分区。

这样一来,只要能管理好一个分区,就一定能管理好整个磁盘,因为管理方法是可以直接照搬的。

对于一个分区的管理,操作系统还是采用分组的方法:在一个分区内部分组,然后就只需要管理好一个组,就可以管理好一个分区,自然就可以管理好一整个磁盘了。

对于一个分区,需要先写入文件系统的管理资源,才能在磁盘中进行文件管理。这个过程称为**"格式化"。**

对于一个分区内部,不是直接划分为一个个的分组,而是有一定的组织逻辑的:

接下来,分别介绍这些区域的作用;

我们知道:文件 = 内容 + 属性

Data blocks就是存储文件的内容的位置;而inode table是存储文件属性的位置。

inode是一个大小确定的结构体,里面存储文件的属性信息,比如有文件的大小,文件的权限,文件的创建者,文件的ACM时间(修改、保存、访问)等。(需要注意:indoe内部不包含文件名称)

一般而言,inode有一个固定的大小 比如128字节,所以无论是怎么样的文件都可以用inode存储文件的属性信息。

接下来介绍上面的区域的作用:

**Block Group:**ext2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。

**超级块(Super Block):**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

**GDT,Group Descriptor Table:**块组描述符,描述块组属性信息。

**块位图(Block Bitmap):**Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用,哪个数据块没有被占用。

**inode位图(inode Bitmap):**每个bit表示一个inode是否空闲可用。

**i节点表:**存放文件属性 如 文件大小,所有者,最近修改时间等。

**数据区:**存放文件内容。(占有大部分空间)

到这里,我们对文件系统的有了基本的理解。那么如何理解文件的增删查改呢?

创建一个新文件主要有一下4个操作:

1. 存储属性

内核先找到一个空闲的i节点(这里是263449)。内核把文件信息记录到其中。

2. 存储数据

该文件需要存储在三个磁盘块,内核找到了三个空闲块:200,500,900。将内核缓冲区的第一块数据复制到200,下一块复制到500,以此类推。

3. 记录分配情况

文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。

4. 添加文件名到目录

一个目录的内容本质是文件名与inode的对应关系。

新的文件名abc。linux如何在当前的目录中记录这个文件?

内核将入口(263449,abc)添加到目录文件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。


三、透彻的看待文件系统

当我们想要找到指定的文件,那么一定需要先找到文件所在的目录,接下来才可以打开这个目录,根据目录的内容(文件名与inode的对应关系),给出文件名称(对用户而言,是通过文件名来进行文件管理的),找到文件对应的inode。得到了文件的inode,就可以对文件进行任何操作了。

但是这里有一个前提条件:找到文件所在的目录!

文件所在的目录如何找到?

由于目录也是文件,所以上面的过程会被重复进行,于是会发现这就是一个递归的过程。直到最终找到根目录,根目录的inode是已经规定好的,所以不需要再找。

上面的这个过程称为逆向的路径解析。这也就解释了为什么在Linux中对文件操作:无论是C/C++的文件操作,还是系统调用,都需要带上路径的原因!!

由于这个过程使用非常频繁,所以Linux会对这个路径系统进行缓存,目的为了提高效率。

四、文件分区的创建

我们可以手动创建一个分区,具体指令不是本文的重点,所以不再列出。重要的是inode是在一个分区内部才是有效的。但是分区有多个,操作系统是如何区分不同的分区呢,因为只有区分了分区,操作系统才可以根据我们提供的文件名,进一步转化为inode,来查找我们需要的文件。

操作系统如何区分不同的分区?

分区在创建之后,需要格式化,最重要的是需要把这个分区挂载到一个目录中。挂载的这一操作就决定了这个分区的位置信息:一串字符串。我们如果有很多个分区,需要把分区挂载到不同的目录下。

我当时在哪个目录里,我就在哪个分区下!

这就解释了Linux可以区分不同分区的inode的原因。


完·~

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