Linux文件系統——全方位掌握

2015/04/30 來源：CSDN博客

文件系統的特性

磁碟分區完畢後需要進行格式化，作業系統才能使用這個分區。

不同作業系統能夠使用的文件系統是不同的，例如：Windows98以前使用FAT/FAT16文件系統，Windows2000以後使用NTFS文件系統，Linux使用Ext2文件系統。在分區完成之後，要使得作業系統能夠識別文件系統，就需要進行格式化，把分區格式化成某一個作業系統能夠識別的文件系統。

一般來說，一個分區中裝一個文件系統，但是現在技術發展了，一個分區可以裝多個文件系統，也能將多個分區合併成一個文件系統。一個文件系統可以掛載到作業系統上。

文件系統的構成

一個文件由許多的屬性和文件本身的數據組成，文件系統會把同一個文件的兩種數據分別存放在inode和block中。此外，整個文件系統還有個super block，用於記錄整個文件系統的整體信息。

• inode：記錄一個文件的所有屬性，以及這個文件所對應的block的號碼（一個文件對應一個inode）
• block：存放文件的實際數據（若文件數據太大，則使用多個block存放）
• super block：記錄文件系統的整體信息，包括：inode、block的數量、文件系統的使用量、剩餘量等。

Ext2文件系統讀取數據的過程

要訪問一個文件時，首先找到這個文件的inode，根據inode中的權限查看當前用戶是否有權力讀取這個文件；然後查看inode中block的位置，最後找到block，讀出數據。這種文件系統就叫做索引式文件系統，所以Linux的ext2文件系統就是索引式文件系統。

PS：U盤（快閃記憶體）一般使用FAT文件系統，而FAT文件系統並沒有inode，每個block中記錄著本文件下一個block的位置。所以FAT文件系統無法通過inode一次性將這個文件所有的block號碼讀取出來，而只能一個個地讀取block後才能知道下一個block的位置。所以如果同一個文件的block分散地太開，那麼讀取一個文件的時間就會很長，所以就有所謂的「碎片整理「，就是將同一個文件的block們儘量放到一起去。但Linux的ext2文件系統由於是索引式的，因此不太需要碎片整理。 關於Ext2文件系統的一些補充說明

• 有些文件系統非常大，高達數百GB，那麼格式化後會有大量的inode和block，為了方便管理，文件系統對所有的inode和block進行分組，每一組叫做block group，每一組都有獨立的inode/block/super block。
• data block數據塊是用來存儲文件實際數據的地方，只有1KB、2KB、3KB這三種。
• 所有的inode和block在格式化的時候大小和數量就固定了，而且每一個block都有固定的編號，便於inode查找。
• 文件系統支持的最大磁碟容量和單一文件容量是不一樣的；

block大小	1KB	2KB	4KB
最大單一文件容量	16GB	256GB	2T

一個block只能存放一個文件的數據，如果文件太大，則使用多個block存放，如果一個block放不滿，則剩下的就空著。

• 每個block的大小要合理地選擇， 如果太大，會造成最後一個block中會有大量剩餘的空間；如果太小，那麼inode中就要記錄更多的block號碼，每次找block要耗時，所以這樣效率也不高。
• 由於每個inode在格式化的時候大小就已經固定了，並且只有128bytes，並且每個文件僅能占用一個inode，因此，文件系統能夠創建的文件數與inode的數量有關。除此之外：
• 當一個文件很大時，它的block太多，每個block號碼需要4byte，那麼inode記錄不下了怎麼辦？這時候將block號碼存在一個block中，inode僅僅需要記錄這個block的號碼即可，這就是一次間接索引。Linux的ext2文件系統最多支持3級間接索引。
• super block記錄了整個文件系統的相關信息，是非常重要的，如果super block死掉了，那麼系統會花費大量時間去挽救他。
• 一般super block的大小為1024bytes
• 每個block group中都含有一個super block，由於一個文件系統中只能有一個super block，所以這些group中的super block都是一樣的，在第一個super block掛了的時候進行挽救用的。
• File System Description文件系統描述說明：描述所有區段的起始和結束的block號碼，所有區段包括：superblock、data block、inodebitmap、bitmap。
• block bitmap塊對照表：這個表記錄了哪些block是空的，從而創建一個文件的時候能夠快速分配空的block。
• inode bitmap：這個與block bitmap類似，它記錄哪些inode是空的。

inode與目錄的關係

當我們在Linux的ext2下創建一個目錄時，文件系統會給我們分配一個inode和一個block。

其中，inode記錄該目錄的相關權限與屬性，並記錄該block的號碼。

而block中記錄的是這個目錄的名字、這個目錄下所有的文件名、以及這些文件所占用的inode號碼。

//通過增加－i參數，可以查看文件所占用的inode號碼//PS:最前面的數字就是inode號碼ls -li total24606624drwx------+ 8 chaibozhou staff 272 4 28 08:31 Desktop606608drwx------+ 15 chaibozhou staff 510 4 26 20:14 Documents606610drwx------+ 60 chaibozhou staff 2040 4 29 20:37 Downloads606612drwx------@ 52 chaibozhou staff 1768 4 30 12:38 Libraryinode與文件的關係

當我們創建一個文件時，文件系統會分配一個inode和相對於文件大小的一些block。例如一個block為4KB，我們創建了一個100KB的文件，那麼需要分配一個inode和25個block；但Linux的ext2文件系統只有12個直接索引，所以還需要一個間接索引的block來存放該文件block的號碼。

文件的讀取過程

假設讀取/etc/passwd這個文件：

1. 根據掛載點信息找到/dev/hdc2根目錄inode，也就是號碼為2的inode。（根目錄的inode號碼是2）。然後根據inode中的權限信息判斷當前用戶是否有權限訪問當前目錄；然後找到跟目錄對應的block號碼。
2. 根目錄的block中存放著根目錄下所有文件和文件夾的名字和inode號碼；找到etc文件夾的inode號碼。
3. 讀取該inode中的權限，判斷當前用戶是否有權限進入該目錄；讀取inode中的block號；到block 中查找passwd對應的inode號。
4. 讀取該inode中權限並判斷，再讀取inode中block號碼，最後讀取block中的數據即可。

文件系統大小與磁碟讀寫性能的關係

當一個文件很大，需要很多的block，而這些block又存放的比較離散，這時磁碟讀寫性能就很低了。

如果由於文件系統的空閒block較為離散，即使是存一些小文件，仍然需要磁頭大量的移動，這時候就考慮將所有數據拷出來，然後格式化整個文件系統，再將數據拷回去。

如果文件系統太大，一個文件的block存放的位置很遠，那麼磁頭要移動大量的位置來讀取一個文件，此時效率就低了；也就是說，文件系統的大小不是越大越好的。 Ext2/3文件系統創建文件的過程 異步處理

要處理一個文件，必須要把它全部放到內存中；那麼當處理一個很大的文件的時候，如果頻繁地要求作業系統將文件保存到外存，那麼我們系統會出現卡頓，等待文件寫入外存。為了避免寫入外存時候的等待，我們就引入了異步處理方式。

一個文件在內存中，如果沒有對他進行修改，那麼它的狀態是clean，系統不會把它寫入外存；若我們對文件進行了修改，那麼它的狀態就變成了dirty，此時我們繼續對文件進行操作，只不過系統會在後台不定時地將dirty狀態的文件寫入外存；也就是說，我們的操作和文件寫入外存是並行的，去除了我們的等待時間。

• 我們可以手動調用sync，強迫內存中狀態為dirty的文件寫回外存中去（就相當於我們使用ctrl＋s，如果不自己按的話，系統會不定時地自動把數據寫回外存）
• 如果正常關機，系統會調用sync將內存中的數據寫回外存
• 如果非正常關機，系統來不及將數據寫回外存，因此重啟的時候系統會花很多時間進行磁碟檢驗，甚至可能導致文件系統的損壞（不會引起磁碟的損壞）

掛載點

每個文件系統都有獨立的inode、block、super block等信息，每個文件系統都必須連接到系統的目錄樹上才能夠被使用。我們將文件系統連接到目錄樹上的動作叫做掛載，就好像果子掛到樹上去。

PS：掛載點一定得是目錄，這個目錄是進入這個文件系統的入口。

舉例來說：假設有三個掛載點/、/boot、/home，他們對應的設備文件分別是：/dev/hdc2,/dev/hdc1,/dev/hdc3，那麼查看這三個目錄的inode號碼可以發現：

2drwxr-xr-x23root wheel312232222:18/2drwxr-xr-x4root wheel142232422:18/boot2drwxr-xr-x6root wheel12232522:18/home

他們的inode號碼都是2，說明他們都是文件系統的根目錄，但是它們的其他數據都是不一樣的，說明他們不是同一個文件，所以他們三個人來自三個不同的文件系統。

如果inode號碼一致，並且其他屬性都相同，則可以判斷他們是同一個文件，就像/,/.,/..

文件系統的簡單操作

• 獲取磁碟容量 df／du
  
  a）df：獲取整個文件系統的磁碟使用量

df//不添加參數，顯示所有的文件系統，以1KB為單位Filesystem512-blocksUsed Available Capacity iused ifree%iused Mountedon/dev/disk197438924810823781686563943212%1359372510820492911%/devfs3633630100%6280100%/devmap-hosts000100%00100%/netmapauto_home000100%00100%/home

• Filesystem：這一列是各個磁碟設備的名字，表示這個文件系統在哪個分區
• 512-blocks：代表下面block是以512KB為單位的，代表block的個數
• Used：使用掉的磁碟空間
• Available：剩下的磁碟空間
• Capacity：剩下磁碟空間的百分比
• iused：使用了多少磁碟空間
• ifree：
• %iused ：使用掉空間的百分比

• Mounted on：掛載點的名字，也就是磁碟掛載的目錄
  
  PS：df主要是針對整個文件系統，因此讀取的是super block中的數據，所以它顯示的非常快。
  
  PS：我們需要特別留意根目錄的剩餘量，因為所有的數據都是從根目錄衍生而來的，因此當根目錄的剩餘量為0時，那你的系統問題就很大了。

  b）du：獲取某個目錄的容量

du [option] 文件/目錄 -a:列出所有的目錄和文件的容量，要是不寫這個參數默認只是列出文件的容量而已。-n:以人們較為容易的格式顯示容量-s:列出目標目錄的總容量，而不列出個別的目錄容量-S:列出目錄總容量，但不包括子目錄-k:容量以KB顯示-m:容量以MB顯示//PS：若這個命令不帶任何參數則列出當前目錄的容量，單位是1KB。

連接文件 ln

Linux下的連接文件有兩種，一種是類似於Windows下的快捷方式，稱為符號連接；另一種稱為硬連接。

a）硬連接（實際連接）

我們知道，目錄的block中存放的是這個目錄下的所有文件名和他們的inode號碼，也就是說，文件名只與目錄有關，而文件的內容是通過目錄block中記錄的inode號碼來找到的。

硬連接就是新建一個文件名，連接到某inode號碼。就是兩個不同的文件名，但是指向同一個inode。

經過了硬連接的文件，如果刪除其中一個文件，那麼還有另外一個文件名指向這個文件，這個文件的block仍然是存在的。此外，不論通過哪個文件名修改文件，由於兩個文件名都是指向同一個文件內容，所以兩個文件的內容都會發生變化。

使用硬連接設置文件連接時，磁碟空間的inode和block的數目都不會發生變化。只是某個目錄的block下多了一個連接文件名的inode號碼而已。

硬連接不能跨文件系統。

硬連接只能連接兩個文件，而不能連接兩個目錄。

b）符號連接（快捷方式）

再新建一個文件，只不過這個新文件會讓數據的讀取指向它連接的那個文件名。由於只是利用了文件的內容作為指向的操作，所以當原文件被刪除之後，再打開連接文件酒會提示「文件無法打開「。

由於符號文件會創建一個新的獨立的文件，所以它會用掉inode和block。

由於硬連接無法連接到目錄，所以一般是符號連接比較常用。

符號文件的一個顯著特性：

//表示chai是一個符號連接文件，它指向/home/shixv，而硬連接是不會有－>這個符號的。/chai->/home/shixv//將目標文件指向原文件ln [option] 原文件 目標文件 -s:不加參數就是硬連接，加了s就是符號連接-f:force模式，如果目標文件存在，直接把它覆蓋//權限後面的數字就代表連接到這個inode上的連接文件個數drwxr-xr-x31root wheel112232122:18.drwxr-xr-x31root wheel112232122:18..

• 新建目錄時連接數的變化
  
  新建一個目錄/chai實際上會產生三個目錄，分別是：/chai,/chai/.,/chai/..。
  
  /chai,/chai/.都表示該目錄，/chai/..表示上層目錄。
  
  所以新建一個目錄後，上層目錄的連接數會＋1，新建目錄的連接數是2。

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