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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 本篇博客專欄：Linux

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??創(chuàng)作時間 ：2024年10月17日

一、磁盤的物理結構

磁盤的物理結構如圖所示：

其中具體的物理存儲結構如下：

磁盤中存儲的基本單位為扇區(qū)，一個扇區(qū)的大小一般為512字節(jié)或者4kb，這里我們暫且認為是512字節(jié)。一般的磁盤，一個扇區(qū)都是512字節(jié)，同半徑所有的扇區(qū)構成了一圈磁道。????????

所以我們要讀取指定文件數(shù)據(jù)的時候，要首先根據(jù)確定是哪一個盤面，其次再去確定是哪一個磁道，最后根據(jù)扇區(qū)的編號去定位扇區(qū)即可。其中通過磁頭、柱面(磁道)、扇區(qū)確來定位扇區(qū)的方法叫做CHS定位法。

?一個普通文件包括屬性 + 內(nèi)容，本質上都是數(shù)據(jù)，占據(jù)一個或多個扇區(qū)，我們既然能夠用?CHS?定位任意一個扇區(qū)，就能定位任意多個扇區(qū)，從而將文件從硬件角度讀取或者寫入。

二、磁盤邏輯抽象

我們已經(jīng)知道如果OS可以得知CHS的地址，就能夠訪問任意一個扇區(qū)。但是由于OS是軟件，磁盤是硬件，為了防止硬件發(fā)生迭代變化OS也要跟著變化，就要做好OS與硬件的解耦工作，因此OS內(nèi)部使用的不是CHS的地址。

為了減少進行IO操作的頻率，OS與外設進行IO操作的基本單位大小是4KB(可以調(diào)整)。就算只需要修改一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，也需要把這個數(shù)據(jù)所在的4KB大小的數(shù)據(jù)都加載進內(nèi)存，修改好后再統(tǒng)一寫回磁盤，因此我們把磁盤稱為塊設備。OS需要有一套新的地址來進行塊級別的訪問。

?把磁盤磁道看作一個連續(xù)的空間結構：

扇區(qū)就相當于連續(xù)的數(shù)組，此時定位一個扇區(qū)就只需要一個數(shù)組下標了。由于OS是以4KB為單位進行IO的，所以一個OS級別的文件塊要包括8個扇區(qū)。OS不關心扇區(qū)的概念，計算機常規(guī)的訪問地址是通過 起始地址 + 偏移量 的方式進行的，因此OS訪問數(shù)據(jù)塊時，只需要知道數(shù)據(jù)塊的起始地址 + 4KB 就可以了，把數(shù)據(jù)塊看作一種類型。

?所以塊的地址本質就是數(shù)組的一個下標N，以后就可以采用下標N的方式定位任意一個塊了。這種尋址方式被稱為 LBA ，即邏輯塊地址。

?獲得 LBA 地址后，通過簡單的數(shù)學計算就可以轉換成磁盤的 CHS 地址。假如已知 LBA = 6500 ，磁盤一個磁面的大小為 5000 ，一個磁道的大小為 1000 。則其對應的地址是第 2 個磁面，第 6 個磁道，第 500 個扇區(qū)。

從此之后，對于磁盤的管理就被抽象成了對一個大數(shù)組的管理。

三、文件系統(tǒng)

由于磁盤很大，為了更加方便的管理，OS對磁盤塊進行了分區(qū)。分區(qū)后再對每一個磁盤區(qū)域進行分組。具體結構如下：

在OS對磁盤進行分區(qū)時，會在最開始的位置設置一個 Boot Block ，這段區(qū)域里面主要保存與OS相關的內(nèi)容，比如分區(qū)表、鏡像地址等等。一般而言這個分區(qū)存在于 0 號盤面的 0 號磁道的 1 號扇區(qū)。當用戶開機時，OS會加載磁盤的驅動，讀取磁盤的分區(qū)表，再從特定分區(qū)的開始位置讀取到OS所在的地址，并加載OS，此時OS才算真正運行起來。

?在之后是OS對每一個分區(qū)進行分組形成的諸多?Block group，即塊組?。 每一個?Block group?都有上圖所示的?6?塊區(qū)域。

1、Super Block

Super Block保存的是文件系統(tǒng)的所有的屬性信息，包括文件系統(tǒng)的類型、整個分組的情況。記錄的信息主要有：block和inode的總量，未使用的block和inode的數(shù)量，一個block和inode的大小，最近一次掛載的時間，最后一次寫入數(shù)據(jù)的時間，最近一次寫入磁盤的時間等其他文件系統(tǒng)的相關信息。

2、Group Descriptor Table

GDT?為組描述符，保存該組內(nèi)的詳細統(tǒng)計等屬性信息。比如本組內(nèi)從哪里到哪里是哪部分內(nèi)容，本組被使用了多少等等。

3、inode Table

一般而言，我們把文件內(nèi)部所有屬性的集合叫做inode節(jié)點，一般大小為128字節(jié)。一個文件會有一個inode，一個分組內(nèi)會有大量的文件，也有大量的inode節(jié)點，所以在組內(nèi)會有一個專門的區(qū)域來保護這些inode節(jié)點，這個區(qū)域就叫做inode Table，也叫 inode 表。

在分組內(nèi)部，每個inode表都有自己的inode編號，inode編號本身也屬于對應文件的屬性，Linux查找一個文件的時候，也是通過inode編號來查找的。

一個inode對應一個文件，該文件的inode屬性和該文件對應的數(shù)據(jù)塊是有映射關系的。

4、Data Blocks

?文件的內(nèi)容是變化的，用數(shù)據(jù)塊來進行保存。所以要保存一個有效文件的內(nèi)容，就需要?n?個數(shù)據(jù)塊。如果有多個文件就需要多個數(shù)據(jù)塊。這些數(shù)據(jù)塊所在的區(qū)域就是?Data Blocks?。一個數(shù)據(jù)塊的默認大小是?4KB?。

Linux查找一個文件，首先找到該文件的inode。在inode結構體內(nèi)部有一個?int blocks[NUM]?數(shù)組，數(shù)組內(nèi)記錄了存儲該文件內(nèi)容的數(shù)據(jù)塊的地址。一個分組中，百分之95以上的內(nèi)容都是?Data Blocks?。

?當操作系統(tǒng)要加載一個文件時，只加載該文件的?inode?節(jié)點。而?inode?節(jié)點中包含該文件內(nèi)容數(shù)據(jù)塊的映射關系，想要訪問哪部分內(nèi)容，就根據(jù)映射關系把哪一部分內(nèi)容加載到內(nèi)存中。

5、inode Bitmap

inode Bitmap?是一個位圖結構，每個bit表示一個?inode?是否空閑可用。

6、Block Bitmap

?Block Bitmap?是一個位圖結構，記錄著?Data Block?中哪個數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被占用，哪個數(shù)據(jù)塊沒
有被占用。

四、Linux下文件系統(tǒng)

在Linux中，使用?ls?指定加上?-i?命令選項，就可以觀察到文件的?inode?：

1、inode與文件名

Linux系統(tǒng)只認inode值，且inode屬性中不會包含文件名，因為文件名只是提供給用戶看的

任何一個文件一定存在于目錄中，目錄其實也是一個文件，也有自己的inode值和對應的數(shù)據(jù)塊，目錄的數(shù)據(jù)庫塊里保存的是該目錄的文件名和inode值對應的映射關系，而且在目錄內(nèi)，文件名與inode編號互為key值

?inode number?在一個分區(qū)內(nèi)唯一有效，不能跨分區(qū)使用。根據(jù)?inode number?可以確定該文件在當前分區(qū)的哪一個分組。

2、文件的增刪查改

2.1、查看文件內(nèi)容

?當用戶訪問一個目標文件的內(nèi)容時，一定是在特定目錄下訪問的，具體流程如下：

1. 先要在當前目錄下找到目標文件的 inode number 。
2. 一個目錄也是文件，也隸屬于一個分區(qū)，在該分區(qū)中通過目標文件的 inode number 找到分組，在該組的 inode Table 區(qū)域找到目標文件的 inode 。
3. 通過目標文件的 inode 與對應 Data blocks 的映射關系，找到該文件的數(shù)據(jù)塊，加載到OS，最后顯示在顯示器上。

2.2、刪除文件

當用戶刪除一個目標文件時，具體流程如下：

1. 在當前目錄下，根據(jù)文件名找到目標文件的 inode number 。
2. 根據(jù) inode number 找到目標文件的 inode ，結合與對應 Data blocks 的映射關系，把 block bitmap 對應的比特位設置為 0 。
3. 根據(jù) inode number 把 inode bitmap 對應的比特位設置為 0 。

2.3、創(chuàng)建文件

當用戶創(chuàng)建一個目標文件時，一定是在一個目錄下創(chuàng)建的。具體流程如下：

1. OS在目錄所處的分組里掃描 inode bitmap ，找到空余的位置并設置為 1 ，獲得 inode number 。
2. 把該文件創(chuàng)建出來后的默認屬性填充到對應的 inode 中。
3. 在當前所處的目錄文件的 Data blocks 里追加一條新的文件名與 inode number 的映射關系。

2.4、補充內(nèi)容

?上面的內(nèi)容包括分區(qū)、分組、填寫系統(tǒng)屬性等等，這些工作都是OS做的。分區(qū)完成之后，為了讓分區(qū)能夠正常使用，需要對分區(qū)做格式化操作，即OS向分區(qū)寫入文件系統(tǒng)的管理屬性信息，并做區(qū)域劃分工作。如果區(qū)域劃分之前已經(jīng)做好了，那么格式化操作把位圖結構清空，把屬性字段設置為初始狀態(tài)就可以了。

?文件系統(tǒng)給 inode 與 Data blocks 建立映射關系通過數(shù)組來完成，由于 Data blocks 很大，為了能夠映射的過來，數(shù)組采用了直接索引、二級索引、三級索引的方式來完成映射，因為不是重點內(nèi)容，僅作了解，不作講解。

?文件系統(tǒng)中，有可能出現(xiàn) inode 沒用完，Data blocks 用完了。或者 inode 用完了，但是 Data blocks 還有剩余的情況。比如只建立一個文件，然后不斷地往這一個文件中塞入數(shù)據(jù)，消耗 Data blocks?；蛘卟粩嗟亟⒖瘴募?#xff0c;消耗 inode 。這種問題目前是沒有辦法解決避免的。

五、軟硬鏈接

1、軟鏈接

建立軟鏈接指令：ln -s [目標文件] [軟鏈接文件名稱]

使用 code-soft 鏈接了code。code-soft 是一個鏈接文件。

?觀察到 code-soft 與 code.c的 inode number 不同，這說明軟鏈接是一個獨立的鏈接文件。有自己的 inode number，必有自己的inode屬性和內(nèi)容。軟鏈接的內(nèi)容是自己所指向的文件的路徑。可以讓用戶快速的找到目標文件。

?軟鏈接的具體用法是：如果一個目標文件的路徑非常深，我們每次訪問目標文件都要寫一遍很長的路徑，效率不高。此時就可以使用軟鏈接在工作目錄制作一個軟鏈接文件，以方便訪問目標文件。類似 Windows 系統(tǒng)中的快捷方式。

2、硬鏈接

建立硬鏈接指令：ln [目標文件] [軟鏈接文件名稱]

?具體操作如下：

?使用 code-hard 鏈接了code.c。 code-hard 是一個普通文件。

?觀察到 code-hard 與code.c的 inode number 相同，這說明硬鏈接與原文件是同一個文件，硬鏈接只是建立了新的文件名與老的inode number的映射關系，只修改了當前目錄的內(nèi)容。

? code-hard 與 code.c 的硬鏈接數(shù)都變成了 2 。意思是此時有兩種方法可以找到該文件，分別對應兩個文件名。硬鏈接數(shù)，本質是一種引用計數(shù)。

現(xiàn)在我們使用指令?unlink?來刪除硬鏈接：

?此時文件的硬鏈接數(shù)又變成了 1?

接下來我們再創(chuàng)建一個目錄文件，觀察硬鏈接數(shù)：

可以看到目錄文件的默認硬連接數(shù)是 2 。這是因為目錄文件天生擁有兩個硬鏈接，一個是它本身的名字，另一個是在該目錄內(nèi)部的 " . " 符號。如果目錄文件的內(nèi)部還有目錄文件，那么該目錄文件的硬鏈接數(shù)就變成了 3 ：本身的名字、該目錄內(nèi)部的 " . " 符號、該目錄內(nèi)部的目錄內(nèi)的 " .. " 符號：

Linux中不允許對目錄進行硬鏈接

3、為什么要有硬鏈接

一、文件備份與冗余

1. 提供額外的文件訪問路徑：創(chuàng)建硬鏈接后，多個文件名可以指向同一個文件的 inode（索引節(jié)點）。這意味著可以通過不同的路徑名來訪問同一個文件內(nèi)容。如果一個路徑名被意外刪除或損壞，仍然可以通過其他硬鏈接路徑訪問文件，起到了一種備份的作用。
2. 增加文件的可靠性：在一些關鍵應用場景中，通過創(chuàng)建硬鏈接可以確保文件在多個位置都能被訪問，降低了因單個文件名丟失或損壞而導致數(shù)據(jù)丟失的風險。

二、文件管理與組織

1. 方便文件共享：多個用戶或程序可以通過不同的硬鏈接路徑同時訪問同一個文件，無需復制文件內(nèi)容，節(jié)省了磁盤空間和時間。例如，在一個團隊項目中，不同的成員可以通過各自的工作目錄中的硬鏈接來訪問共享的文件，實現(xiàn)文件的協(xié)同操作。
2. 簡化文件結構：可以使用硬鏈接來組織文件系統(tǒng)，使得相關的文件可以通過多個路徑進行訪問。這對于一些復雜的文件系統(tǒng)結構或需要靈活訪問文件的情況非常有用。

三、與傳統(tǒng)文件系統(tǒng)的兼容性

1. 與舊有系統(tǒng)和工具的兼容性：許多傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)工具和應用程序都能夠理解和處理硬鏈接。這使得在從舊系統(tǒng)遷移到 Linux 或在不同的文件系統(tǒng)環(huán)境中工作時，能夠繼續(xù)使用熟悉的文件管理方式。
2. 穩(wěn)定性和可靠性：硬鏈接的實現(xiàn)基于文件系統(tǒng)的底層結構，相對穩(wěn)定可靠。不像某些高級文件系統(tǒng)特性可能會在不同的操作系統(tǒng)版本或文件系統(tǒng)實現(xiàn)中存在差異，硬鏈接在大多數(shù)情況下都能提供一致的行為。

六、動靜態(tài)庫

動靜態(tài)庫的本質就是可執(zhí)行程序的"半成品"。

一段代碼生成一個可執(zhí)行程序需要以下的四個步驟：

1. 預處理：完成頭文件的展開，去掉注釋，宏替換，條件編譯等，最終形成xx.i文件
2. 編譯：完成語法分析，詞法分析，語義分析，符號匯總，檢查無誤后將代碼編譯成匯編指令，最終形成xx.s文件
3. 匯編：將匯編指令轉換成二進制文件，xx.o文件
4. 鏈接：將生成的各個.o文件進行鏈接，最終形成可執(zhí)行程序

詳細內(nèi)容在下一篇文章中……

最后：

十分感謝你可以耐著性子把它讀完和我可以堅持寫到這里，送幾句話，對你，也對我：

1.一個冷知識：
屏蔽力是一個人最頂級的能力，任何消耗你的人和事，多看一眼都是你的不對。

2.你不用變得很外向，內(nèi)向挺好的，但需要你發(fā)言的時候，一定要勇敢。
正所謂：君子可內(nèi)斂不可懦弱，面不公可起而論之。

3.成年人的世界，只篩選，不教育。

4.自律不是6點起床，7點準時學習，而是不管別人怎么說怎么看，你也會堅持去做，絕不打亂自己的節(jié)奏，是一種自我的恒心。

5.你開始炫耀自己，往往都是災難的開始，就像老子在《道德經(jīng)》里寫到：光而不耀，靜水流深。

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