Linux-【文件系统上】

一、理解硬件

我们把文件存在磁盘上，OS是如何帮助我们精准的找到我们需要的文件？

在系统中，文件是一种目录结构，是树状的；我们可以通过**路径【绝对或者相对】**来定位文件；所以就需要文件在磁盘上的保存是合理、合法、合规

从磁盘的物理存储到逻辑寻址，从文件系统的组织管理到文件的软硬链接，每一个环节都决定了 Linux 对文件的高效操作。

1.1 磁盘、服务器、机柜、机房

机械磁盘是计算机中唯一的一个机械设备

磁盘在我们的体系结构中：属于外设

速度比较慢：离CPU比较远

容量大，价格便宜

例如：其实我们生活中的一些数据，很少查看。比如5、6年前的朋友圈，所以公司会把冷门数据分离，存在一些便宜且容量大的磁盘上。

磁盘盖上之后，很密封的 ~

我们可以把一个盘片想象成由若干个小磁铁组成的，被打磨光滑的；因为磁铁它有N/S两级，正好可以表示我们计算机世界的二进制 0/1 ；

计算机硬件的物理结构不同，但是最终都会做成两态的（网络的有无；波形的高低）

在高温环境下，磁盘会退磁；所以机房一定是禁止高温 / 禁止火种的，防止磁盘退磁，数据丢失

1.2 磁盘物理结构

磁盘的核心物理组件包括盘片、磁头、磁头臂、主轴，其存储的核心单位是扇区（512 字节），这是磁盘读写数据的最小物理单位，磁盘也因此被称为块设备。

磁道：盘片表面的同心圆轨迹 ，从外圈到内圈编号 ，靠近主轴的磁道仅用于停靠磁头，不存储数据；

柱面：所有盘片上相对位置相同的磁道 构成柱面，磁头臂上的所有磁头是 "共进退" 的，这是磁盘寻址的关键特性；（记住：共进退 != 共写入）

磁头：每个盘片有上下两个盘面 ，每个盘面对应一个磁头，负责读写对应盘面的磁道数据。

1.3 磁盘的存储结构

扇区：是磁盘存储数据的基本单位 ，512字节，块设备

磁头在传动臂的带动下，共进退

b)图：有3片磁片，6面磁面

磁盘在写入数据的时候， 是向柱面进行批量写入的！！！

问：512字节，写入一个扇区中，磁盘应该如何运动 ???

1. 寻道阶段：移动磁头到目标柱面(Cylind)

磁臂带着所有磁头一起径向移动 （共进退），直到目标磁道所在的柱面位置

2. 旋转等待阶段：等待目标扇区转到磁头(Head)下

盘片以恒定转速（如 7200 转 / 分钟）持续旋转。

磁头已经停在目标柱面后，等待目标扇区旋转到磁头正下方。

这段等待时间称为旋转延迟，平均为半圈旋转时间。

3. 数据写入阶段：磁头写入数据

当目标扇区(Sector) 完全对准磁头时，磁头在盘片旋转过程中连续写入 512 字节。

写入时磁头不径向移动，仅随盘片旋转完成扇区数据的磁化记录。

整个扇区写入完成后，磁头保持当前柱面或准备下一次寻道。

CHS地址定位：

文件 = 内容 + 属性；内容是数据，属性（权限、创建时间、名字....）也是数据；对文件的存储，无非就是存储在一个又一个的扇区里，能定位一个扇区，也能定位多个扇区。

1.4 磁盘的逻辑结构

1.4.1 理解过程

磁带上面可以存储数据，我们可以把磁带"拉直"，形成线性结构

那么磁盘本质上虽然是硬质的，**但是逻辑上，我们可以把磁盘想象成为卷在一起的磁带，**那么磁盘的逻辑存储结构我们可以类似于 :

定位一个扇区，我们就可以只用一个数字【数组下标】来表示；

1.4.2 真实过程

一个细节 : 传动臂上的磁头是共进退的

概念	编号起点	编号方向 / 规则	备注
磁道	0	盘片外圈 → 内圈递增	单盘面内的环形轨迹
柱面	0	与磁道号一致，外圈 → 内圈递增	多盘面同半径磁道的集合
物理扇区	1	单磁道内圆周方向递增	CHS 寻址中使用
逻辑扇区	0	全磁盘线性递增（柱面→磁头→扇区）	LBA 寻址中使用，与 CHS 可转换

柱面是一个逻辑上的概念，其实就是每一个面上，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：

柱面：

柱面上的每个磁道，扇区个数都是一样的

这不就是二维数组

整盘：

整个磁盘不就是多张二维的扇形数组表

所有寻址一个扇区 : 先找到哪一个柱面，再确定柱面内哪一个磁道（其实就是磁头位置），再确定扇区，所以就有了CHS

之前学过C/C++的数组，在我们看来，其实全部都是一维数组

所以，每⼀个扇区都有一个下标，我们叫做LBA(Logical Block Address)地址,其实就是线性地址。所以怎么计算得到这个LBA地址呢？

LBA把磁盘上的所有扇区从0开始顺序编号，形成一个一维的大数组。操作系统只需告诉磁盘"我要读LBA地址为1000的扇区"，磁盘内部的固件会自动将其转换为实际的CHS位置。
所以， OS只需要使用LBA就可以了！

LBA地址转成CHS地址， CHS地址转换为LBA地址，谁做？

磁盘自己来做（硬件电路，伺候系统）

操作系统不再需要关心磁盘有多少个磁头、多少个柱面，只需要把磁盘当作一个巨大的字节数组即可。

1.5 CHS&&LBA地址

CHS转成LBA：

LBA转成CHS：

二、引入文件系统

2.1 引入"块"概念

1. 硬盘是典型的 "块" 设备，支持随机读取

2. OS文件系统访问磁盘，不以扇区为单位，而是以 "块"为单位，一般是4KB（可以调整）

虽然扇区是磁盘的最小物理读写单位 ，但操作系统不会逐个扇区读取数据 ------ 效率过低。因此，文件系统引入了块（Block） 的概念，将连续的多个扇区划分为一个块 ，作为文件存取的最小逻辑单位。

最常见的块大小为 4KB（即 8 个 512 字节的扇区），块的大小在磁盘格式化时确定 ，且不可修改。块与 LBA 的转换关系也非常简单：

块号 = LBA ÷ 8

LBA = 块号 × 8 + 块内扇区编号（n=0~7）