Linux文件系统：从硬件到软硬链接

1. 理解硬件

机械磁盘是计算机中唯一的一个机械设备
- 扇区：每个磁道被切分成很多扇形区域；磁盘存储数据的基本单位，512字节，块设备
- 磁头：每个盘片一般有上下两面，分别对应一个磁头，共两个磁头
- 磁道：从盘片外圈往内圈编号0，1...，靠近主轴的同心圆；用于停靠磁头，不存储数据
- 柱面：磁道构成柱面，数量上等于磁道个数
- 圆盘数：盘片的数量
CHS地址定位
- 先确定磁头（header）
- 再确定柱面（磁道）（cylinder）
- 定位扇区（sector）
LBA地址
- 把磁道展开就是一个数组，每个下标对应一块扇区；多个磁道就构成了一个二维数组；多个柱面就形成了三位数组
- LBA = 柱面号C * 单个柱面的扇区总数 +磁头号H*每磁道扇区数 + 扇区号S -1；
LBA转CHS
- 柱⾯号C=LBA//(磁头数*每磁道扇区数)【就是单个柱⾯的扇区总数】
- 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【扇区号从1开始，在LBA中是从0开始】

2. 引入文件系统

2.1 引入"块"的概念

操作系统读取硬盘数据的时候，一次读取一个"块"
"块"是文件存取的最小单位
- 8个扇区组成一个"块"，通常为 4KB

2.2 引入"分区"的概念

柱面是分区的最小单位
柱面大小一致，扇区个位一直

2.3 引入"inode"概念

每行包括7列
- 模式，硬连接数，文件所有者，组，大小，最后修改时间，文件名
每个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件相关的一些信息
Linux下文件的存储时属性和内容分离存储的
Linux下，保存文件属性的集合叫inode
一个文件对应一个inode，inode内有唯一的标识符名叫作inode号
文件名不会作为属性，保存在inode中
inode的大小一般是128字节或者256字节，后面统一为128字节
任何文件的内容大小可以不同，但是属性大小一定是相同的
三个时间
- Access 最后访问时间
- Modify 文件内容最后修改时间
- Change 属性最后修改时间

3. ext2 文件系统

3.1 Block Group

ext2 系统会根据分区的大小划分为多个Block Group，每个 Block Group 都有着相同的结构组成

3.2 块组内部构成

3.2.1 超级块（Super Block）

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
不是所有分组都要包含 Super Block，只有个别对应分组需要，而且 Super Block里面的内容是完全一样的
每个块的第一个块组必须有，后面的块组可以没有

3.2.2 GDT

块组描述符表，描述块组属性信息，整个分区有多少个块组就对应多少个块组描述符
每个块组描述符存储一个块组的描述信息
- 这个块组是从哪里开始是 inode Table
- 从哪里开始时 Data Blocks
- 空闲的 inode 和数据块还有多少个等等
块描述符在每个块组的开头都有一份拷贝

3.2.3 块位图（Block Bitmap）

记录 Data Block 中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用

3.2.4 inode位图（Inode Bitmap）

每个 bit 表示一个 inode 是否空闲可用

3.2.5 i节点表（Inode Table）

存放文件属性，文件名不会作为属性保存在 inode 中
inode 编号以分区为单位，整体划分，不可划分区

3.2.6 Data Block

存数据时以 4KB 为单位存
Block 号按照分区划分，不可跨分区

3.2.7 inode和datablock映射

inode 内部可以和datablock可以进行映射

3.2.8 总结

分区之后的格式化操作，就是对分区进行分组，在每个分组中写入 SB、GDT、Block Bitmap、Inode Bitmap等管理信息，这些管理信息，统称为文件系统
只要知道文件的 inode 号，既能在指定分区中确定是哪一个分组，进而在哪一个分组确定 inode
拿到inode 文件属性和内容就全部都有了

3.3 目录和文件名

目录也是文件
内容保存的是：目录下文件名和inode的映射关系
访问文件，必须打开当前目录，根据文件名，获得对应的 inode 号，然后进行文件访问
访问文件必须知道文件所在目录 -》必须能打开对应目录文件，查看文件内容

3.4 路径解析

==从根目录开始，依次打开每一个目录，根据目录名，依次访问每个目录下指定的目录，直到访问到 test.c,==这个过程叫做Linux路径解析
根目录固定文件名，固定inode号，无需查找，系统开机后就必须知道

3.5 路径缓存

linux 会缓存历史路径结构
打开的文件是目录的话，由 OS 自己在内存进行路径维护
Linux中，在内核中维护树状路径结构的内核结构体叫做：struct dentry
每个文件都有对应的 dentry 结构，包括普通文件
整个树形节点同时会隶属于LRU（最近最少使用），进行节点淘汰
整个属性节点也同时会隶属于 Hash，方便快速查找

3.6 挂载分区

分区写入文件系统，无法直接使用，需要和指定目录关联，进行挂载才能使用
可以根据访问文件的"路径前缀"，准确判断我在哪一个分区

4. 软硬链接

4.1 硬链接

硬链接只能给普通文件进行建立，Linux系统不支持给目录建立硬链接
硬链接本质不是一个独立的文件，没有自己的inode，本质是一组新的文件名和 inode number的映射关系
==ln 源文件硬链接

linux 复制代码

[root@localhost linux]# touch abc 
[root@localhost linux]# ln abc def #给abc建立硬链接def
[root@localhost linux]# ls -li abc def 
263466 abc 
263466 def

#inode号相同

删除文件时
- 1.在目录中将对应的记录删除
- 2.硬链接数-1，如果为0，则将对应磁盘释放

4.2 软链接

软链接是通过 inode 引用另外一个文件，软连接是通过名字引用另外一个文件
软链接是一个独立的文件，新的文件和被引用的文件的 inode 不同
相当于 windows 下的快捷方式，删除不会影响源文件
ln -s 源文件软链接

linux 复制代码

[root@localhost linux]# ln -s abc.s abc
[root@localhost linux]# ls -li 
263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9 ⽉ 15 17:45 abc 
261678 lrwxrwxrwx. 1 root root 3 9 ⽉ 15 17:53 abc.s -> abc 263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9 ⽉ 15 17:45 def

删除软链接（两种方式）
- rm abc.s
- unlink abc.s

4.3 软硬链接对比

软链接是独立文件
硬链接只是文件名和目标文件inode的映射关系

4.4 软硬连接的用途

硬链接：
- . 和 ... 就是硬链接 -》创建的文件夹初始连接数就是2
  - 父目录的文件名 + 自己的 .
  - 虽然. 和 ... 就是硬链接，但是不支持给目录建立硬链接
    - 防止出现路径环问题
    - . 和 ... 是特殊目录，平时用到不会解析，方便操作
- 文件备份
软连接：
- 类似快捷方式