Linux核心技术：Linux文件系统与bootFS/rootFS

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本文是 Linux核心技术系列文章：Linux文件系统与bootFS/rootFS，主要讲解了文件系统的概念、linux文件系统的设计、linux标准目录、什么是挂载、linux的bootFS与rootFS等

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1.Linux文件系统

1.1.什么是文件系统？

1.1.1.文件系统的本质

想象你有一个大仓库（硬盘），里面堆满了各种货物（数据）。如果没有明确的分类和标签，你根本找不到想要的东西。
文件系统（File System）就是管理这些数据的"仓库管理员" ，负责：
- 存储：数据放在哪里
- 查找：如何快速找到数据
- 保护：防止数据被随意修改
- 组织：目录结构、权限控制

1.1.2.为什么需要文件系统？

原始硬盘只是一堆0和1：没有结构，无法直接使用
解决核心问题 ：
- 如何区分不同类型的数据（文本、图片、程序）？
- 如何保证数据不丢失、不被随意覆盖？
- 如何让多个程序同时安全地读写数据？

1.2.Linux文件系统的设计哲学

1.2.1."一切皆文件"（Everything is a File）

这是Linux最独特的设计思想！
- 普通文件：你创建的文档、图片
- 目录：存放文件的"文件夹"
- 硬件设备 ：键盘、鼠标、U盘（比如 /dev/sda 表示硬盘）
- 进程信息 ：运行中的程序状态（比如 /proc/1234 表示PID为1234的进程）
- 网络连接 ：甚至可以通过文件操作网络（比如 /dev/tcp）
设计原因：
- 统一操作接口！无论操作什么，都可以用 open()、read()、write() 等相同函数处理，极大简化了系统设计。

1.2.2.树形目录结构

Linux的目录像一棵倒挂的树，根目录（/）是起点：

复制代码

/
├── bin   → 基础命令（如ls, cp）
├── etc   → 配置文件
├── home  → 用户的家目录
├── dev   → 设备文件
├── tmp   → 临时文件
└── ...

为什么这样设计？
- 标准化：所有Linux系统目录结构一致，方便软件开发和维护
- 隔离性 ：系统文件（/bin）和用户文件（/home）分开，避免误操作

1.3.文件系统的核心概念详解

1.3.1. 文件类型

Linux有7种文件类型（用 ls -l 查看第一个字符）：

类型符号	说明	例子
`-`	普通文件	.txt、.jpg
`d`	目录（文件夹）	/home
`l`	符号链接（快捷方式）	/usr/bin/python → python3
`c`	字符设备（键盘、终端）	/dev/tty
`b`	块设备（硬盘、U盘）	/dev/sda
`s`	套接字（网络通信）	/run/docker.sock
`p`	管道（进程间通信）	无具体路径

设计原因：用统一的方式管理所有资源，比如读写硬件就像读写普通文件！

1.3.2.Inode：文件的"身份证"

每个文件对应一个唯一的inode ，存储元数据：
- 文件大小、权限、所有者、时间戳
- 数据在硬盘上的物理位置
- 但不存储文件名！
查看inode ：ls -i filename
为什么需要inode？
- 想象图书馆每本书有一个唯一编号（inode），而书名可以随意修改（文件名）。这样即使重命名文件，系统也能快速找到数据位置。

1.3.3.硬链接 vs 软链接

	硬链接（Hard Link）	软链接（Symbolic Link）
本质	直接指向inode	独立文件，存储目标路径
特点	不能跨文件系统，删除源文件仍可访问	可以跨文件系统，源文件删除后失效
创建命令	`ln source.txt hardlink`	`ln -s source.txt softlink`
类比	同一本书的两个不同书名	书架的便签条，指向另一本书

设计原因：硬链接节省空间（不重复存储数据），软链接更灵活（可跨设备）。

1.4.目录结构的秘密

1.4.1.目录完整分类表

类别	目录	作用	特点	关键文件/功能	示例
系统核心	`/`	所有目录的起点	不可直接存储文件	仅包含子目录	无
系统核心	`/bin`	基础系统命令（所有用户可用）	单用户模式可用、静态可执行文件	`ls`, `cp`, `bash`, `rm`	系统修复时使用的核心命令
系统核心	`/boot`	系统启动文件	只读、关键启动文件	内核文件 `vmlinuz-*`, 引导加载程序（GRUB）	`/boot/grub/grub.cfg`
硬件设备	`/dev`	设备文件接口	动态生成、无实际大小	`/dev/sda`（硬盘）, `/dev/tty`（终端）, `/dev/null`（黑洞设备）	通过 `mknod` 创建设备文件
配置管理	`/etc`	系统级配置文件	纯文本配置、禁止可执行文件	`/etc/passwd`（用户信息）, `/etc/fstab`（挂载表）, `/etc/ssh/sshd_config`	Nginx 配置 `/etc/nginx/nginx.conf`
用户数据	`/home`	普通用户私有目录	用户自主管理、权限隔离	用户配置文件（`~/.bashrc`）, 个人文档	`/home/alice/Documents`
系统库	`/lib`	32位系统库文件	系统运行依赖库	C 标准库 `libc.so.6`, 内核模块 `/lib/modules/`	驱动程序模块 `/lib/modules/5.15.0-78-generic/kernel/`
系统库	`/lib64`	64位系统库文件	64位系统专用	同 `/lib`	仅存在于64位系统
存储挂载	`/media`	自动挂载可移动设备	用户友好访问点	自动挂载的U盘、光盘	插入U盘后自动挂载到 `/media/MyUSB`
存储挂载	`/mnt`	临时手动挂载点	管理员临时挂载	手动挂载的NFS共享或硬盘分区	`sudo mount /dev/sdb1 /mnt`
第三方软件	`/opt`	独立商业软件安装目录	自包含软件包	大型商业软件、独立发行程序	`/opt/google/chrome`, `/opt/oracle/`, `/opt/cni`
系统信息	`/proc`	实时进程与内核信息	虚拟文件系统、动态更新	`/proc/cpuinfo`（CPU信息）, `/proc/[PID]/`（进程详情）	查看内存使用：`cat /proc/meminfo`
特权隔离	`/root`	管理员家目录	仅root可访问	root用户的配置文件	`/root/.ssh/`
运行时数据	`/run`	系统运行时临时文件	内存驻留、重启消失	进程PID文件、套接字文件	`/run/sshd.pid`, `/run/docker.sock`
系统管理	`/sbin`	系统管理命令	需root权限执行	`fdisk`（磁盘分区）, `iptables`（防火墙）, `reboot`（重启）	系统维护工具
服务数据	`/srv`	服务相关数据	明确服务归属	Web服务内容、FTP数据	`/srv/http/`（网站根目录）, `/srv/ftp/`
硬件管理	`/sys`	内核设备与参数管理	虚拟文件系统、硬件调控接口	`/sys/class/net/`（网络接口）, `/sys/devices/`（设备树）	调整CPU频率：`/sys/devices/system/cpu/`
临时存储	`/tmp`	临时文件存储	全局可写、定期清理	应用程序临时文件	浏览器缓存文件 `/tmp/chromium-xxxxx`
用户程序	`/usr`	用户级程序与资源	只读、跨系统共享	`/usr/bin`（用户命令）, `/usr/lib`（库文件）, `/usr/share`（共享数据）	Python解释器 `/usr/bin/python3`
动态数据	`/var`	可变数据存储	持续增长、需要定期维护	`/var/log`（日志）, `/var/lib`（数据库）, `/var/cache`（缓存）	MySQL数据文件 `/var/lib/mysql/`
文件恢复	`/lost+found`	文件系统修复残留文件	仅ext3/4文件系统存在	`fsck` 修复后的文件碎片	系统崩溃后恢复的碎片文件
软件包管理	`/snap`	Snap软件包存储（Ubuntu专用）	容器化软件包	Snap应用文件	`/snap/chromium/`

1.4.2.为什么需要这么多目录？

安全性 ：系统文件（/bin）和用户文件（/home）隔离，避免误删
可维护性 ：日志单独放在/var/log，方便查找和管理
标准化：所有Linux发行版目录结构一致，软件兼容性更好

1.5.权限管理：保护你的数据

1.5.1.文件权限的三组角色

所有者（Owner）：文件的主人
所属组（Group）：一组用户的集合
其他人（Others）：既不是主人，也不在组里

1.5.2.权限类型

符号	权限	对文件的影响	对目录的影响
`r`	读	可以查看文件内容	可以列出目录中的文件
`w`	写	可以修改文件内容	可以创建/删除目录中的文件
`x`	执行	可以运行程序（如脚本）	可以进入目录（比如`cd`命令）

示例：-rwxr-xr-- 表示：
- 第一位：文件类型
- 所有者有读、写、执行权限
- 所属组有读、执行权限
- 其他人只有读权限

1.5.3.为什么需要权限？

多用户系统：Linux设计初衷是多人同时使用服务器，必须防止用户互相干扰
系统安全 ：关键系统文件（如/etc/passwd）不能被随意修改

1.6.挂载（Mount）：扩展你的存储空间

1.6.1.什么是挂载？

把U盘插入电脑后，Linux不会自动显示文件。你需要将设备关联到一个目录（挂载点），才能访问其中的数据。

操作示例：

bash 复制代码

# 创建挂载点
sudo mkdir /mnt/usb

# 挂载U盘（假设设备是/dev/sdb1）
sudo mount /dev/sdb1 /mnt/usb

# 访问U盘内容
ls /mnt/usb

# 卸载
sudo umount /mnt/usb

1.6.2.为什么需要挂载？

灵活性：可以动态连接/断开存储设备
统一访问：所有存储设备都通过目录访问，无需关心物理位置

1.7.动手实验：加深理解

1.7.1.查看文件inode

bash 复制代码

touch test.txt          # 创建文件
ls -i test.txt         # 查看inode号
stat test.txt          # 显示详细元数据

1.7.2.理解软硬链接

bash 复制代码

echo "Hello" > original.txt
ln original.txt hardlink      # 创建硬链接
ln -s original.txt softlink  # 创建软链接

# 删除原文件后观察区别
rm original.txt
cat hardlink   # 仍然能读取内容
cat softlink   # 报错"文件不存在"

2.Linux 的 bootFS 和 rootFS

Linux系统，一般会包含两个文件系统fs
- Bootfs，其中有一个Bootloader，在机器启动时负责引导加载kernel。当kernel加载到内存后，会把bootfs umount掉，相当于卸载
- 然后再去加载rootfs，即各种标准目录。linux不同发型版，rootfs可能有些差异，但bootfs(kernel)基本一致

2.1.核心概念对比

特性	bootFS	rootFS
全称	Boot File System（引导文件系统）	Root File System（根文件系统）
作用阶段	系统启动阶段	系统运行阶段
核心内容	内核（Kernel）、initramfs/initrd	操作系统根目录（`/bin`, `/etc`, `/usr` 等）
存储位置	独立分区（如 `/boot`）或内存	磁盘分区（如 `/`）或容器镜像层
生命周期	临时加载，启动完成后卸载	持久存在，系统运行时持续使用
典型大小	较小（几十MB到几百MB）	较大（几GB到几十GB）

2.2.bootFS详解

2.2.1.核心组件

内核（Kernel） ：
- Linux 系统的核心，负责硬件管理和进程调度。文件通常命名为 vmlinuz-<版本>。
- 系统启动成功后，还能在/boot中看到内核文件，比如：我当前的系统即为 5.4.241-1-tlinux4-0017.4 内核版本
  bash 复制代码
```
[root@VM-226-235-tencentos /opt]# ll /boot/vmlinuz-5.4.241-1-tlinux4-0017.4
-rw-r--r-- 1 root root 9160864 Oct  7  2023 /boot/vmlinuz-5.4.241-1-tlinux4-0017.4
```
  - 5：主版本号（重大功能更新）
  - 4：次版本号（新增功能）
  - 241：修订号（错误修复）
  - 1：发行版定制补丁次数
  - tlinux4：内核类型，tencentOS-linux
initramfs/initrd ：
- 临时根文件系统（Initial RAM File System），包含启动阶段必需的驱动和工具。
  - initramfs：基于 cpio 格式，直接嵌入内核（现代系统使用）
  - initrd：独立加载的磁盘映像（旧系统使用）

2.2.2.启动流程中的角色

BIOS/UEFI 加载引导程序（如 GRUB）
引导程序 加载 bootFS 中的内核和 initramfs
内核解压 initramfs 到内存，挂载为临时根文件系统
initramfs 中的脚本执行以下操作：
- 加载硬件驱动（如磁盘控制器、文件系统驱动）
- 挂载真正的 rootFS
- 切换根目录到 rootFS
卸载 bootFS，进入系统正常运行阶段

2.2.3.设计意义

硬件兼容性：允许在挂载真实根文件系统前加载必要驱动
灵活性：支持加密根文件系统、网络挂载等复杂场景
轻量化：避免将全部驱动编译进内核

2.3.rootFS详解

2.3.1.核心组成

目录	作用	是否必需
`/bin`	基础命令（如 `ls`, `bash`）	是
`/etc`	配置文件	是
`/lib`	共享库文件	是
`/dev`	设备文件	内核自动生成
`/proc`	进程与内核信息	虚拟文件系统
`/usr`	用户级程序与资源	否（可网络挂载）
`/var`	可变数据（日志、缓存等）	否

2.3.2.运行时的角色

进程树起点 ：所有进程的父进程（如 systemd 或 init）从 rootFS 启动
环境隔离：chroot 操作基于 rootFS 实现环境隔离
容器基础：Docker 镜像本质上是裁剪版的 rootFS

2.3.3.rootFS 的类型

类型	描述	应用场景
磁盘 rootFS	存储在硬盘分区的传统根文件系统	物理机/虚拟机
内存 rootFS	完全载入内存的临时文件系统	救援模式、Live CD
容器 rootFS	每个容器都有自己独立的rootFS，与主机分离	Docker/容器运行时

2.4.理解Docker容器的bootFS与rootFS

2.4.1.Docker容器与传统Linux系统的关键差异

组件	传统 Linux 系统	Docker 容器
bootFS	必需（包含内核）	不需要（复用宿主机内核）
rootFS	完整操作系统文件	裁剪版（仅包含应用所需文件）

docker容器
- docker容器本质上就是运行在宿主机上的一个进程，只不过通过namespace、cgroups等技术将之隔离成一个独立的环境。但它依旧只是一个进程而已
- 作为一个进程，docker容器不需要自行加载kernel，所以不需要bootFS，只需要自己运行的 rootFS 即可
传统Linux系统/虚拟机
- 本质上是一个完整独立的linux系统，所以需要从头开始启动linux系统，需要bootFS

2.4.2.怎么在主机上查看docker的rootFS？

在主机上，找到容器的进程pid，即可在/proc/${pid}中看到这个进程相关的数据，其中 /root目录一般就是容器的 rootFS

与进入容器ls查看到的目录和文件是一样的

bash 复制代码

# 宿主机
ls /proc/${pid}/root

# 
docker exec -it ${container-id} -- ls

2.5.关键问题解答

2.5.1.为什么容器不需要 bootFS？

内核共享：容器与宿主机共享内核，无需独立内核和 initramfs
启动方式：容器进程直接由宿主机 init 系统（如 systemd）启动

2.5.2.如何定制 rootFS？

手动构建 ：

bash 复制代码

# 使用 debootstrap 创建最小化 rootFS
sudo debootstrap focal ./my-rootfs http://archive.ubuntu.com/ubuntu

容器构建 ：

dockerfile 复制代码

FROM scratch
COPY my-rootfs/ /
CMD ["/bin/bash"]

Linux核心技术：Linux文件系统与bootFS/rootFS

1.Linux文件系统

1.1.什么是文件系统？

1.1.1.文件系统的本质

1.1.2.为什么需要文件系统？

1.2.Linux文件系统的设计哲学

1.2.1."一切皆文件"（Everything is a File）

1.2.2.树形目录结构

1.3.文件系统的核心概念详解

1.3.1. 文件类型

1.3.2.Inode：文件的"身份证"

1.3.3.硬链接 vs 软链接

1.4.目录结构的秘密

1.4.1.目录完整分类表

1.4.2.为什么需要这么多目录？

1.5.权限管理：保护你的数据

1.5.1.文件权限的三组角色

1.5.2.权限类型

1.5.3.为什么需要权限？

1.6.挂载（Mount）：扩展你的存储空间

1.6.1.什么是挂载？

1.6.2.为什么需要挂载？

1.7.动手实验：加深理解

1.7.1.查看文件inode

1.7.2.理解软硬链接

2.Linux 的 bootFS 和 rootFS

2.1.核心概念对比

2.2.bootFS详解

2.2.1.核心组件

2.2.2.启动流程中的角色

2.2.3.设计意义

2.3.rootFS详解

2.3.1.核心组成

2.3.2.运行时的角色

2.3.3.rootFS 的类型

2.4.理解Docker容器的bootFS与rootFS

2.4.1.Docker容器与传统Linux系统的 关键差异

2.4.2.怎么在主机上查看docker的rootFS？

2.5.关键问题解答

2.5.1.为什么容器不需要 bootFS？

2.5.2.如何定制 rootFS？

2.4.1.Docker容器与传统Linux系统的关键差异