Linux文件系统

前言

一.磁盘的结构

磁盘数据定位方法

CHS定位法

LBA寻址法

二.Linux文件系统

1.文件系统结构

编辑

2.inode

通过inode找到文件内容

3.重新理解文件

新建/删除文件

目录文件

软硬链接

前言

Linux文件系统是操作系统中用来组织和管理文件与目录的结构, 它提供了存储、检索、管理和保护数据的方法, 在Linux下一切皆文件, 理解文件系统以及文件能让我们对Linux的学习有很大帮助

一.磁盘的结构

磁头（Magnetic Head）是用于读取和写入磁性介质上数据的核心组件。它利用电磁原理在磁性材料表面记录和检索数据, 磁盘高速旋转 , 磁头来回摆动, 就能访问到磁盘上的所有数据

磁盘的每个盘面，都会被为多个等宽的同心圆环，这样一个圆环叫做磁道。而一个磁道又会被划分为很多个小扇形，每个扇形叫做一个扇区, 一个扇区的大小通常是固定的, 在很长一段时间内,磁盘的大小是512byte, 这种是传统的512字节扇区, 现代还有4KB扇区

磁盘数据定位方法

CHS定位法

CHS定位法曾经是硬盘上数据定位的标准方法，通过柱面、磁头和扇区三者的组合来定位数据位置

C（Cylinder，柱面）：指示数据位于哪一个柱面。
H（Head，磁头）：指示数据位于该柱面的哪一个磁盘面（由哪个磁头访问）。
S（Sector，扇区）：指示数据位于该磁盘面的哪个扇区。

选择柱面：首先，硬盘的读写头会移动到指定的柱面。柱面由磁盘上的所有盘片的对应磁道组成。
选择磁头：然后选择特定的磁头，以读取指定磁盘面上的数据。
选择扇区：最后在选定的磁盘面上，磁头读取或写入指定的扇区。

LBA寻址法

LBA是现代大部分存储设备的标准寻址方式, 通过一个简单的整数来表示存储设备上的数据位置

逻辑块（Logical Block）：LBA将整个存储设备视为一个线性连续的块序列，每个块对应一个唯一的LBA编号。这些逻辑块的大小通常是固定的，一个逻辑块通常对应一个扇区，在大多数情况下，逻辑块的大小为512字节或4KB。
线性寻址：LBA通过一个简单的整数值（LBA号）来表示存储设备上的数据位置，而不涉及柱面、磁头和扇区的复杂几何结构。LBA号从0开始，一直到存储设备的最大块数减1。

当需要访问某个数据块时，操作系统或硬盘控制器会生成一个LBA号，该LBA号直接映射到存储设备上的物理位置。硬盘控制器将LBA号转换为设备内部的实际地址，然后访问相应的数据块

二.Linux文件系统

1.文件系统结构

Linux Ext2文件系统结构

超级块（Super Block）：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
GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息，宏观描述块组的使用情况
块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
inode Table:存放文件属性如文件大小，所有者，最近修改时间等
Data blocks：存放文件内容

2.inode

文件=内容和属性

在Linux中文件的内容和属性是分开储存的,文件的属性储存在inodeTable中,内容存储在Data Block中, struct inode 是 Linux 内核中用于描述文件系统中每个文件的核心数据结构, 里面包含了文件的各个属性, 比如文件的inode编号, 文件的修改时间, 文件的权限, 文件的数据块等, 其中inode编号用来标识唯一一个文件或目录, 文件属性中记录的这个文件的内容存储的块下标, 通过这个就能直接找到文件的内容,

使用 ls -i 选项查看文件的inode

注意 : 文件名不是文件的属性, 不存在struct inode中

通过inode找到文件内容

struct inode 
{...int i_block[15];//记录文件内容存放的Data Block下标...
}

i_blick数组分为[0,11] [12] [13] [14]区域

其中[0,11]为直接映射, 当文件数据过大, 这些块不够, [12]为一级映射, 所指向的块存储的是直接映射的块下标, 这些才是文件的内容, [13]为二级映射同上, 所指向的是一级映射的块下标, 再从一级映射存储的块找, [14]为多级映射, 同理

3.重新理解文件

现在我们有了文件系统的理解, 再来重新理解一些文件

新建/删除文件

所谓新建文件, 就是再inode bitmap中找到一个没有被使用的inode, 初始化文件的属性, 分配block 块, 然后在当前目录文件建立新建的文件的文件名和inode编号的映射关系

所谓删除文件, 就是删除当前目录文件中文件名和inode的映射关系, 文件系统释放inode 和block

目录文件

目录也是一个文件, 目录文件也有自己的内容, 在目录文件会储存该目录下所有文件的文件名和inode编号的映射关系

文件名存在于目录中，而不存在于文件本身。我们通过目录来访问文件名，本质是去目录文件中，通过文件名找到对应的inode编号，然后通过inode编号找到文件的属性,再通过属性中的i_block就能访问到文件内容。所以我们通过一个个目录文件就能访问到各种文件, 根目录的inode是确定的, 从根目录开始就可以依次找到所有文件