Linux----文件系统

磁盘存储

基础IO讲了进程与被打开的文件的关系，这里讲一讲在磁盘上的文件。

文件被存在磁盘上，通过定位磁盘，柱面，磁道，扇区，可以定位任意一个文件所在的位置。，采用CHS硬件定位法。可以将存储结构其抽象成数组：

系统给出LBA地址，通过LBA地址找到在哪个扇区，如果给一个LBA地址为123，如何根据其找到在哪个扇区呢？下面看一看，给出了每个单位内存储的内容：

这样通过LBA地址与CHS搜索的方法寻找文件，解耦合了软件层面和硬件层面。

操作系统如何管理磁盘

先组织，再描述，文件系统 被格式化为一个块组（block group）的集合，每个块组都有自己的 inode 表 和 数据块。这些 inode 和数据块都属于同一个文件系统，文件系统管理着它们的分配和使用。将200GB的磁盘采用分治的思想管理，也就是常见的C,D,E盘：

每个分区又被分成了n组。

Superblock（超级块）

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。所以其被不规则地分散在group中。

• Group Descriptor Table（组描述表）

  告诉系统每个组中重要结构的位置（位图、inode 表）

• Block Bitmap / Inode Bitmap

  哪些块/哪些 inode 已被使用

而inode也类似，不过inode一般为128个字节的结构体，所以一块block可以包含2KB➗128B个inode。

• Inode Table

  每个文件的属性（大小、权限、时间戳、数据块地址等），注意，没有文件名字

• Data Blocks

  文件实际内容存放处

每个块组都是一个"小文件系统单元"，设计上有助于局部性访问和减少磁盘寻道。一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b选项可以设定block大小为1024、2048或4096字节。一般为2048。

查看文件的inode：

目录文件

目录其实也是文件，那么它在上述系统中是怎么存储的呢？首先他肯定也有一个inode存储属性，其次，文件内容存储目录中文件名字与其对应的inode的映射，因此文件名字一般不能重名。

从磁盘中找到文件内容的过程：给定一个/usr/file/text.txt,首先会找到根目录的inode 2，再在其data block中找到对应file的inode，直到找到text.txt的inode为止，再查看对应的inodebitmap，看看是否为1，为1找到对应的数据块内容读出；删除一个文件，先查看inode的引用计数是否为1，为1的话可以将其对应的数据块bitmap置空，inode bitmap置空，删除对应目录中的目录项，从目录中移除文件信息，否则inode引用计数减一。

软硬链接

在 Linux 中，软链接 和硬链接是两种常见的文件链接方式，它们的创建和使用通过不同的命令来实现。我们分别来详细讲解它们的创建方式，以及它们的特点。

硬链接（Hard Link）

硬链接是指 多个文件名 指向 同一个 inode （即同一个文件的数据块）。

硬链接和原文件没有区别，它们指向相同的 inode，所以对任何一个硬链接进行修改（包括删除）都会影响到所有硬链接。

• 特点：

  • 硬链接不能跨越文件系统。

  • 删除任何一个硬链接不会影响其他链接指向的文件，直到所有硬链接都被删除，文件的数据块才会被释放。

创建硬链接的命令：

ln <原文件> <硬链接文件>

• <原文件>：你想要创建硬链接的文件。

• <硬链接文件>：硬链接的名称。

示例：

发现test与hard_file的inode一样。其中.表示当前文件夹，为什么会有两个硬链接数呢？因为test_11_6这个文件名与.对应的文件名都硬链接到一个inode！..也是一个道理，上层文件夹。inode结构体中引用计数与硬链接数一致。

注意

硬链接不能链接目录文件，否则会出现死循环，比如/usr/test 引用/usr，都指向同一inode，在/usr下find test，inode中找data block，test对应inode，然后又找到test对应同一个inode，又在该inode中找test......

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软链接（Symbolic Link）

软链接（又称符号链接）是一种特殊的文件，它包含了一个指向其他文件的路径。软链接和原文件是不同的文件，软链接只是一个指向目标文件路径的文本文件。

• 特点：

  • 软链接可以跨文件系统（即可以链接到不同的分区或者磁盘）。

  • 删除软链接不会影响原文件，但删除原文件会使软链接失效。

  • 软链接的 inode 号与原文件不同，因为它本身是一个独立的文件。

  • 与windows桌面下的快捷方式类似

创建软链接的命令：

ln -s <原文件> <软链接文件>

• -s：指定创建软链接。

• <原文件>：你想要创建软链接的文件。

• <软链接文件>：软链接的名称。

示例：

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硬链接和软链接的对比

特性	硬链接	软链接
指向目标	指向同一个 inode，文件的数据和内容完全相同	指向文件路径（路径名），是独立的文件
是否独立文件	不是独立的文件，和原文件共享 inode	是独立的文件
删除时的影响	删除一个硬链接不会影响其他硬链接，文件只有在所有硬链接被删除时才会删除	删除软链接不会影响原文件，删除原文件会使软链接失效
跨文件系统	不能跨文件系统（只能在同一个磁盘分区内）	可以跨文件系统（链接到不同分区或磁盘上的文件）
inode	硬链接和原文件共享相同的 inode 号	软链接有自己的 inode 号
目标是文件还是目录	可以链接文件，不可以链接目录	文件，目录

关于各自的用途，其实硬链接就是为了切换目录更方便：. ..,而软链接可以帮助我们更好地调用较深的文件。

从进程看，打开一个文件发生了什么

假设每个页大小是 4KB（4096字节） 。

你现在要写的文件偏移量（pos）假设是 8193字节。

从 write() 到磁盘：完整路径

1. 用户发出写请求 ：

   调用 write(fd, buf, 4096)，内核根据文件描述符找到对应的 inode 和 address_space。

2. 计算页号并查找页缓存 ：

   根据文件偏移量计算出页号（例如第 2 页），

   调用 page = find_or_create_page(mapping, 2, ...)，

   在内存页表中查找该页是否已缓存；

   若不存在，就从物理内存中分配一个空闲页（如 mem_map[12345]）并建立映射。

   mem_map[12345] 代表的是 第 12345 个物理内存页（RAM 页）。

3. 建立磁盘映射（逻辑块 → 物理块） ：

   文件系统调用 get_block()（如 ext4_get_block()），

   确定文件的这一页对应的 磁盘物理块号 。

   若文件还没写过该区域，则：

   • 在磁盘的 数据块位图 中找到一个空闲块；

   • 标记为已分配；

   • 把该块号写入 inode 的块指针表；

   • 返回该块号（即未来要写入的磁盘位置）。

     这个"物理块号"是 磁盘上的块号，不是内存。

4. 写入页缓存（内存中） ：

   用户数据先被拷贝进刚刚找到或创建的 struct page（即 mem_map[12345] 所代表的页）中，

   页被标记为 脏页（dirty page），表示数据尚未写回磁盘。

5. 异步写回（writeback） ：

   后台的写回线程（如 pdflush 或 writeback）稍后会：

   • 读取页缓存的脏页；

   • 根据之前确定的 磁盘物理块号；

   • 将页内容写入对应的磁盘块；

   • 清除脏标记。

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核心理解一句话总结：

内核先通过 mem_map[] 在 物理内存 中找到或分配页缓存（RAM 页），

同时通过文件系统的 get_block() 确定对应的 磁盘块号 （磁盘位置），

数据先写入页缓存，再由后台异步写回到磁盘。

动静态库

可参考：【Linux】动静态库-CSDN博客