本文已收錄至《Linux知識與編程》專欄！
作者：ARMCSKGT
演示環(huán)境：CentOS 7

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前言

我們知道文件的存儲一般在磁盤上，操作系統(tǒng)需要管理這些文件就需要通過其文件系統(tǒng)進(jìn)行管理，高效的管理機(jī)制有利于提高我們IO的速度，本節(jié)我們將對Linux系統(tǒng)的文件系統(tǒng)進(jìn)行概述！

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正文

本節(jié)理論較多，還請耐心閱讀和理解！

文件與磁盤

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文件被打開后會加載到內(nèi)存，而沒有被打開的文件存儲在磁盤上！
對于磁盤文件的管理，主要為了解決快速定位，快速讀取和寫入

對于在磁盤上的文件，當(dāng)我們對文件進(jìn)行操作時，操作系統(tǒng)會通過文件的inode編號找到文件屬性進(jìn)行文件操作，對于文件的inode編號我們可以通過以下命令查看：

ls -il

文件的inode編號就如同進(jìn)程的pid一樣，inode編號與文件一 一對應(yīng)，通過文件的inode編號就可以訪問文件屬性進(jìn)而讀取文件內(nèi)容！

我們可以將磁盤對文件的管理比喻為物品寄存點，每一個柜子有一個箱號，可以存放一個物品，存放成功后物主獲得箱號牌；待物主來取時通過箱號牌取出物品并歸還箱號牌；這就是文件的一次寫入和刪除操作！

向磁盤中寫入一個文件，存放在磁盤中，獲取一個inode編號，在刪除這個文件時歸還這個inode編號即可！

以上對文件的 “管理” 描述只是抽象概念，結(jié)合我們后面介紹的磁盤結(jié)構(gòu)，才能更好的理解！

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磁盤介紹與機(jī)械硬盤

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在現(xiàn)代，磁盤分為兩種，即機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤！
機(jī)械硬盤速度慢，但是便宜穩(wěn)定；固態(tài)硬盤速度快，但是價格比較貴且數(shù)據(jù)損壞率大于機(jī)械硬盤！
為了更好的介紹文件系統(tǒng)，我們主要圍繞機(jī)械硬盤進(jìn)行講解！

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機(jī)械硬盤基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

機(jī)械硬盤是我們計算機(jī)中的一個外部設(shè)備，也是計算機(jī)中唯一的機(jī)械設(shè)備，根據(jù)馮諾依曼體系，機(jī)械硬盤的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CPU。如果要有一個數(shù)據(jù)去衡量，CPU的運行是納秒級別的話，機(jī)械硬盤則是毫秒級別！

而機(jī)械硬盤之所以這么慢，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的：

機(jī)械硬盤的主要結(jié)構(gòu)：

• 盤片：有兩面都可以存儲數(shù)據(jù)，一般是多個盤片組合成一組
• 磁頭：盤片的每一面都配有一個磁頭讀寫數(shù)據(jù)
• 主軸：帶動盤片轉(zhuǎn)動進(jìn)行尋址
• 音圈馬達(dá)：控制磁頭進(jìn)退換道
• 磁頭臂：磁頭在磁頭臂的一端，通過音圈馬達(dá)的擺動，控制磁頭切換磁道
• 伺服電路板：對數(shù)據(jù)的讀寫進(jìn)行處理，控制機(jī)械硬盤的運行
• 其他 … …

注意：不同磁盤中磁盤的盤片數(shù)量不一樣，但因為磁頭是通過一個磁頭臂驅(qū)動的，所以一個機(jī)械硬盤上的所有磁頭是共進(jìn)退的！機(jī)械設(shè)備的操作動作需要時間，相當(dāng)于固態(tài)硬盤中電子間的光速傳輸來說，非常慢！

關(guān)于機(jī)械硬盤的詳細(xì)結(jié)構(gòu)介紹，可閱讀：機(jī)械硬盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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機(jī)械硬盤數(shù)據(jù)存儲與管理

在計算機(jī)中，數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制存儲的，常見的可以表示二進(jìn)制的存儲方式有：高電平與低電平，波峰和波谷，南極和北極等等；而機(jī)械硬盤盤片的存儲的方式是磁極南極和北極！


讀寫數(shù)據(jù)時，距離盤面3納米的磁頭會利用電磁鐵，改變磁盤上磁性材料的極性來記錄和刪除數(shù)據(jù)，兩種極性分別對應(yīng) 0 或 1 ，磁頭移動到指定扇區(qū)位置，向扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)時磁極由N->S，在扇區(qū)刪除數(shù)據(jù)時磁極由S->N (S為1 N為0)

磁頭和盤片的近距離操作，使得機(jī)械硬盤在運行時我們不能隨意移動，更不能發(fā)生碰撞，一旦因為外力使磁頭接觸到盤片損傷了盤片就會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失！

關(guān)于機(jī)械硬盤的工作原理詳細(xì)講解：

對于一個盤片，有兩個盤面，每個盤面上又分為很多個磁道，每個磁道又分為很多個扇區(qū)！

單個扇區(qū)大小為 512 字節(jié)(或者 4 kb)，這些扇區(qū)用來存儲數(shù)據(jù)，同一半徑中的所有扇區(qū)組成一個扇面；而半徑相同的扇區(qū)組成磁道(柱面)！
注意：磁道上扇區(qū)的數(shù)量一般相同，因為磁道的面積會隨著向外越來越打，對于面積較小的磁道，其扇區(qū)比特位會做的相對緊密一些，面積較大的扇區(qū)則會做的稀疏一些！

未來要找一個扇區(qū)：

• 先找磁頭(head)：定位在哪一個盤片以及哪一個面，只需要確定哪一個磁頭(磁頭編號)就能找到哪一個面
• 再找柱面(cylinder)：定位在哪一個磁道，由半徑?jīng)Q定，柱面也就是磁道
• 最后找扇區(qū)(sector)：定位讀取位置在該磁道的哪一個扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)的編號定位一個扇區(qū)
  
  
  我們稱這種：先定位磁頭，再定位柱面(磁道)，再定位扇區(qū)的方式，稱為CHS定位法！

一個普通文件的屬性和數(shù)據(jù)都是數(shù)據(jù)(0/1)，無非就是占用一個或多個扇區(qū)來進(jìn)行自己的數(shù)據(jù)存儲的；我們既然能夠用CHS定位任意一個扇區(qū)，我們就能定位任意多個扇區(qū)，從而將文件從硬件角度進(jìn)行讀寫！

通過上述，如果操作系統(tǒng)能夠得知任意一個CHS地址，就能訪問任意一個扇區(qū)；但操作系統(tǒng)并非直接使用CHS地址，因為操作系統(tǒng)是軟件，磁盤是硬件，硬件是一個地址，如果操作系統(tǒng)直接使用這個地址，如果硬件參數(shù)發(fā)生了變化，操作系統(tǒng)的磁盤信息也要變化，操作系統(tǒng)要和硬件做好解耦工作，即便是扇區(qū)，512字節(jié)單IO的基本數(shù)據(jù)量也是很小的，硬件是按照512字節(jié)處理，但操作系統(tǒng)實際進(jìn)行IO的基本單位是4KB進(jìn)行處理！

所以，操作系統(tǒng)的一次IO，無論讀取數(shù)據(jù)是多少，都是按照4KB進(jìn)行讀取，因此磁盤也稱塊設(shè)備！


我們將磁盤中一個盤面的所有磁道想象成磁帶被全部拉出來的樣子，那么就是一直連續(xù)的線性結(jié)構(gòu)！

操作系統(tǒng)需要有一套通用的新地址來進(jìn)行塊級別的訪問，如果將磁道比方成磁帶，那么一個磁道就可以當(dāng)成一個數(shù)組對待，數(shù)組天然有下標(biāo)，此時定位一個扇區(qū)，只需要一個數(shù)組下標(biāo)就可以定位一個扇區(qū)，假設(shè)數(shù)組下標(biāo)為N，而其中我們的操作系統(tǒng)是以4KB為單位進(jìn)行IO的，故一個操作系統(tǒng)級別的文件塊要包括8個扇區(qū)，甚至在OS角度，OS不關(guān)心扇區(qū)！

計算機(jī)常規(guī)的訪問方式是起始地址+偏移量的方式(語言/數(shù)據(jù)類型)；操作系統(tǒng)只需要知道數(shù)據(jù)所在的起始地址(第一個扇區(qū)的下標(biāo)地址)+4kb(塊的類型)就能找到一個數(shù)據(jù)，我們把數(shù)據(jù)塊看做一種類型！

所以塊的地址本質(zhì)就是數(shù)組的一個下標(biāo)N，以后我們表示一個塊，我們可以采用先選下標(biāo)N的方式定位任意一個塊了，我們稱這種線性地址為邏輯塊地址LBA，這樣我們定位磁盤扇區(qū)就轉(zhuǎn)換為OS->N->LBA邏輯塊地址->CHS；磁盤只認(rèn)CHS地址，所以LBA地址和CHS地址要相互轉(zhuǎn)換！

操作系統(tǒng)要管磁盤，就將磁盤看做一個大數(shù)組，對磁盤的管理，變成了對數(shù)組的管理，要對一個數(shù)組中的扇區(qū)進(jìn)行管理，就需要先描述再組織，通過struct對象封裝8個扇區(qū)，存儲中數(shù)組中，在數(shù)組中每一個下標(biāo)對應(yīng)的就是一個數(shù)據(jù)塊！

在操作系統(tǒng)中有描述一個塊的的結(jié)構(gòu)體struct block{}

硬盤比較大，為了合理的管理一般操作系統(tǒng)可以分區(qū)，對于每個分區(qū)操作系統(tǒng)又會分組，這個組就是塊組!
對于分區(qū)，就相對復(fù)雜一些！
我們在電腦中一般會對電腦進(jìn)行分區(qū)，分區(qū)的意義在于，磁盤的空間是非常大的，如果不分區(qū)，巨大的空間管理會消耗操作系統(tǒng)的資源，我們在現(xiàn)實生活中，各大學(xué)都會在學(xué)校設(shè)立不同的學(xué)院進(jìn)行高效管理，最重要的是上層管理者更好的調(diào)用管理資源，這種思想稱為分治思想！

在文件系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)先將整個大文件系統(tǒng)分為不同的區(qū)，存入struct disk數(shù)組中進(jìn)行管理

//分區(qū)屬性
struct disk
{struct part[3]; //三個分區(qū)    struct part是管理分區(qū)的對象類型//其他屬性...	
}

我們可以通過以下命令查看當(dāng)前Linux系統(tǒng)的分區(qū)：

ll /dev/vda* -i 

也可以通過下面的命令查看分區(qū)的信息：

# 該命令相當(dāng)于Windows的 “此電腦”
df -h

系統(tǒng)在分區(qū)后，需要對區(qū)塊進(jìn)行格式化，在格式化時寫入管理信息，不同的文件系統(tǒng)在格式化時寫入的數(shù)據(jù)是不同的，這里討論的是EXT文件系統(tǒng)！

對于分區(qū)

• 為了使分區(qū)能被正常使用，需要對分區(qū)進(jìn)行格式化
• 分區(qū)格式化：操作系統(tǒng)向分區(qū)寫入文件系統(tǒng)的管理屬性信息
• 磁盤分區(qū)后，分組、填寫系統(tǒng)屬性是操作系統(tǒng)做的事

當(dāng)然，分區(qū)再細(xì)分就是塊組！

由塊組構(gòu)成的線性空間亦可稱為組線，代表一個分區(qū)，而一個struct part對象管理一個分區(qū)：

struct part
{struct part group[512];	//分為512個塊組int lba_start;	//起始塊組位置(分區(qū)中第一個塊組的下標(biāo))int lba_end;		//結(jié)束塊組位置(最后一個塊組下標(biāo))//其他屬性……
}

將現(xiàn)有資源再分配后，可以 最大化利用資源，避免造成浪費及拖慢效率，下面我們詳細(xì)介紹塊組！

塊組是由分區(qū)細(xì)分出的產(chǎn)物，塊組與分區(qū)的關(guān)系如圖所示：

關(guān)于這些分組信息的詳細(xì)介紹：

我們知道 文件 = 內(nèi)容+屬性 ，而Linux系統(tǒng)將文件屬性和內(nèi)容分離存儲！

用戶只認(rèn)文件名，Linux系統(tǒng)只認(rèn)inode號，文件的inode屬性中，并不存在文件名，文件名是給用戶用的，所以目錄也是文件，目錄也有inode，而目錄存儲的是文件名與inode的映射關(guān)系！

inode可以確定分組，inode編號在一個分區(qū)內(nèi)唯一有效，不能跨分區(qū)，但一個inode是可以在整個分區(qū)有效的，所以每一個分區(qū)的inode編號有一個范圍(因為分組中的inode都有一個范圍)，分組也是！

當(dāng)然，對于一些大文件，Linux系統(tǒng)不一定會直接分配塊進(jìn)行存儲，而是進(jìn)行塊索引多級存儲！

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文件操作的細(xì)節(jié)

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創(chuàng)建文件

簡單直接的說，就是實例化一個inode對象，就相當(dāng)于創(chuàng)建了一個文件，但是有一些細(xì)節(jié)！

當(dāng)我們增加一個文件時，操作系統(tǒng)需要：

• 首先操作系統(tǒng)在該目錄所在分組中的inode Bitmap找到一個沒有被使用的inode，在inode table中找到這個inode拿到文件屬性和inode編號
• 將文件默認(rèn)屬性寫入inode中，一開始文件是空的所以沒有數(shù)據(jù)塊
• 在對應(yīng)目錄的存儲內(nèi)容中追加一條文件名與inode的映射關(guān)系，然后文件就創(chuàng)建好了

未來對文件進(jìn)行寫入時，先去block Bitmap找到需要的數(shù)據(jù)塊將這些塊的bit位置為1，然后將這些數(shù)據(jù)塊的位圖信息填入文件inode的blocks數(shù)組中，再去data block中找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行寫入(刷新入)即可；同樣的，當(dāng)我們刪除了某些數(shù)據(jù)，減小了數(shù)據(jù)塊的占用時，將該文件不用的數(shù)據(jù)塊在block Bitmap中置為0即可，表示可分配！

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訪問文件

當(dāng)我們要訪問一個文件時，操作系統(tǒng)需要：

• 首先我們會在特定目錄下找到文件名(就相當(dāng)于找到了inode編號)
• 一個目錄也是一個文件，也一定隸屬于一個分區(qū)，結(jié)合inode，在該分區(qū)中找到分組，在該分組的inode table中找到文件的inode屬性
• 通過inode(的blocks數(shù)組)和data block的映射關(guān)系，找到該文件的數(shù)據(jù)塊，并加載到內(nèi)存中(被操作系統(tǒng)管理)，并進(jìn)行訪問和操作

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刪除文件

當(dāng)我們要刪除文件時，操作系統(tǒng)需要：

• 先通過當(dāng)前目錄下文件名找到對應(yīng)的inode編號
• 根據(jù)inode table找到文件的inode屬性，然后將inode屬性中blocks數(shù)組所占數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的block Bitmap的bit位置為0
• 將inode Bitmap中文件inode位置的比特位設(shè)置為0，然后文件屬性就沒了，文件也就不存在了，被刪除了

所以刪文件只需要修改位圖即可，從這里可以看出，操作系統(tǒng)的刪除只是改變標(biāo)識，并沒有銷毀數(shù)據(jù)內(nèi)容，如果要徹底銷毀，則需要借助一點手段！

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恢復(fù)文件

文件被誤刪不一定沒救，有可能可以恢復(fù)！
在數(shù)據(jù)被誤刪后，此時一定不要再動電腦，立刻斷電送修，還可能挽回數(shù)據(jù)！

前面說過，刪除并不是真刪除，訪問不到就行了，所以只要在刪除后，有些操作系統(tǒng)會記錄日志，日志中會保存被刪的inode編號！

所以，理論上可以：

• 根據(jù)日志找到被刪文件的inode編號
• 根據(jù)inode編號找到對應(yīng)的inode，將分組中的該inode的inode Bitmap表其位置置為1
• 找到其所占用的Data block，將其占用的data block在block Bitmap置為1

其中的內(nèi)容沒有被覆蓋的，數(shù)據(jù)就可以找回來
所以，當(dāng)我們誤刪文件后，不進(jìn)行操作就可以防止被釋放的數(shù)據(jù)塊中的內(nèi)容被覆蓋！
當(dāng)然，如果我們不想這么麻煩，也可以學(xué)習(xí)Windows創(chuàng)建一個回收站！

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其他情況

如果inode只是單單的用數(shù)組建立和datablock的映射關(guān)系，即只是將inode對象實例化不同的文件系統(tǒng)datablock數(shù)組大小不同存在組中inode用完了但datablock沒用完的情況，也存在inode沒用完但是datablock用完了的情況！

也就是說，存在兩種情況

• 如果我們一直只創(chuàng)建文件，但不寫入內(nèi)容，那么就會導(dǎo)致一個分組中indoe table被全部占滿，此時就會導(dǎo)致datablock數(shù)據(jù)塊沒有占用，但分組已經(jīng)無法再容納新文件了
• 如果我們創(chuàng)建幾個文件，但是文件內(nèi)容非常大，用完了這個分組的所有datablock數(shù)據(jù)塊，此時就會導(dǎo)致很多inode沒有使用，但分組空間已滿的情況

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最后

文件系統(tǒng)概述到這里就基本結(jié)束了，本節(jié)我們帶領(lǐng)大家簡單的探究了Ext文件系統(tǒng)對于文件的管理方式，從硬件“機(jī)械硬盤”入手，再到文件系統(tǒng)的管理，兩者的結(jié)合，一氣呵成，相信大家了解了文件系統(tǒng)之后，才會發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)對于文件的管理是多么高效和巧妙！

本次 <Linux文件系統(tǒng)概述> 就先介紹到這里啦，希望能夠盡可能幫助到大家。

如果文章中有瑕疵，還請各位大佬細(xì)心點評和留言，我將立即修補(bǔ)錯誤，謝謝！

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