Linux系統的文件系統詳解

Linux系統文件系統：

1、文件系統介紹
文件系統是linux的一個十分基礎的知識，同時也是學習linux的必備知識。
本文將站在一個較高的視圖來了解linux的文件系統，主要包括了linux磁盤分區和目錄、掛載基本原理、文件存儲結構、軟鏈接硬鏈接、和常見目錄的介紹。相信有了這些知識對於深入的學習linux會有一定的幫助。
Linux文件管理從用戶的層面介紹了Linux管理文件的方式。Linux有一個樹狀結構來組織文件。樹的頂端為根目錄(/)，節點為目錄，而末端的葉子為包含數據的文件。當我們給出一個文件的完整路徑時，我們從根目錄出發，經過沿途各個目錄，最終到達文件。我們可以對文件進行許多操作，比如打開和讀寫。在Linux文件管理相關命令中，我們看到許多對文件進行操作的命令。它們大都基於對文件的打開和讀寫操作。
2、Linux文件常見的目錄
Linux發行版本之間的差別很少，差別主要表現在系統管理的特色工具以及軟件包管理方式的不同。目錄結構基本上都是一樣的。Windows的文件結構是多個並列的樹狀結構，最頂部的是不同的磁盤（分區），如：C，D，E，F等。
Linux的文件結構是單個的樹狀結構.可以用tree命令進行展示（默認沒有安裝）。
每次安裝系統的時候我們都會進行分區，Linux下磁盤分區和目錄的關系如下：
① 任何一個分區都必須掛載到某個目錄上。
② 目錄是邏輯上的區分。分區是物理上的區分。
③ 磁盤Linux分區都必須掛載到目錄樹中的某個具體的目錄上才能進行讀寫操作。
④ 根目錄是所有Linux的文件和目錄所在的地方，需要掛載上一個磁盤分區。
以下是我們可能存在的一種目錄和分區關系：

Q:如何查看分區和目錄及使用情況？
– fdisk查看硬盤分區表
– df：查看分區使用情況
– du: 查看文件占用空間情況
Q: 為什麼要分區，如何分區？
– 可以把不同資料，分別放入不同分區中管理，降低風險。
– 大硬盤搜索范圍大，效率低
– 磁盤配合只能對分區做設定
– /home /var /usr/local經常是單獨分區，因為經常會操作，容易產生碎片。
3.文件類型
Linux下面的文件類型主要有：
a) 普通文件：C語言元代碼、SHELL腳本、二進制的可執行文件等。分為純文本和二進制。
b) 目錄文件：目錄，存儲文件的唯一地方。
c) 鏈接文件：指向同一個文件或目錄的的文件。
d) 特殊文件：與系統外設相關的，通常在/dev下面。分為塊設備和字符設備。
可以通過ls –l, file, stat幾個命令來查看文件的類型等相關信息。
4、存儲設備分區
文件系統的最終目的是把大量數據有組織的放入持久性(persistant)的存儲設備中，比如硬盤和磁盤。這些存儲設備與內存不同。它們的存儲能力具有持久性，不會因為斷電而消失；存儲量大，但讀取速度慢。觀察常見存儲設備。最開始的區域是MBR，
MBR（分為三個部分）
446字節（bootloader 引導加載器（是個程序））引導某個分區的加載的
46個字節（分區表）標識分區信息 每16個字節標識一個分區（所以只能劃分4個主分區）
2個字節（魔數）magic number 作用標記MBR是否有效（常見的55AA）
用於Linux開機啟動(參考下列簡短總結Linux開機啟動過程)。
電腦開機--》BIOS（是一段程序）中的數據對計算機的健康狀態的自身檢查
將這段程序映射到內存最開始的那個段中（內存分為三段 BIOS段和內核空間和用戶空間）
根據BIOS中設定的啟動次序去尋找啟動設備的MBR
BOIS中設置的啟動順序去啟動對應的系統：設置的種類有：硬盤，光盤，U盤（winPE安裝系統的時候設置設備的啟動順序--》U盤先啟動）
找到上述的設備種類進行加載，把BootLoader加載到內存中（BIOS就退出了，把指令交給bootLoader）--》讀取分區表（64個字節）--》在分區中找到系統內核，把操作系統的內核讀進內存中進行解析--》把控制權交給內核--》內核啟動自身--》內核根據配置找到文件系統的位置--》啟動文件系統。
剩余的空間可能分成數個分區(partition)。每個分區有一個相關的分區表(Partition table)，記錄分區的相關信息。這個分區表是儲存在分區之外的。分區表說明了對應分區的起始位置和分區的大小。

我們在Windows系統常常看到C分區、D分區等。Linux系統下也可以有多個分區，但都被掛載在同一個文件系統樹上。
數據被存入到某個分區中。一個典型的Linux分區(partition)包含有下面各個部分:

分區的第一個部分是啟動區(Boot block)，它主要是為計算機開機服務的。Linux開機啟動後，會首先載入MBR(MBR：主引導記錄
在磁盤的第0盤面0磁道0扇區,大小512個字節)，不屬於任何文件系統，是全局的，獨立於任何文件系統
隨後MBR從某個硬盤的啟動區加載程序。該程序負責進一步的操作系統的加載和啟動。為了方便管理，即使某個分區中沒有安裝操作系統，Linux也會在該分區預留啟動區。
啟動區之後的是超級區(Super block)。它存儲有文件系統的相關信息，包括文件系統的類型，inode的數目，數據塊的數目。
隨後是多個inodes，它們是實現文件存儲的關鍵。在Linux系統中，一個文件可以分成幾個數據塊存儲，就好像是分散在各地的龍珠一樣。為了順利的收集齊龍珠，我們需要一個“雷達”的指引：該文件對應的inode。每個文件對應一個inode。這個inode中包含多個指針，指向屬於該文件各個數據塊。當操作系統需要讀取文件時，只需要對應inode的"地圖"，收集起分散的數據塊，就可以收獲我們的文件了。
最後一部分，就是真正儲存數據的數據塊們(data blocks)了。
5、文件系統
系統分區完成後，將要將分區格式化文件系統（文件系統是個管理軟件，存到磁盤分區的某個位置，文件系統不是整個分區）但是文件系統上的數據是在這個分區上的，所以說文件系統是一個管理軟件。
文件系統把磁盤分為兩片：元數據存儲區(metadata)（inode位圖、塊位圖、inode條目等等）、數據存儲區（數據存儲區又分為多個邏輯存儲單元叫做磁盤塊（是邏輯概念））
任何文件系統中的數據分為數據和元數據(metadata)。數據是指普通文件中的實際數據，而元數據指用來描述一個文件的特征的系統數據，諸如訪問權限、文件擁有者以及文件數據塊的分布信息(inode...)等等。但是元數據中★不包含文件名★文件名存放在磁盤塊上的。
6、文件存儲結構
Linux正統的文件系統(如ext2、ext3)一個文件由目錄項、inode和數據塊組成。
目錄項:包括文件名和inode節點號。
Inode：又稱文件索引節點，是文件基本信息的存放地和數據塊指針存放地。
數據塊：文件的具體內容存放地。
Linux正統的文件系統(如ext2、3等)將硬盤分區時會劃分出目錄塊、inode Table區塊和data block數據區域。一個文件由一個目錄項、inode和數據區域塊組成。Inode包含文件的屬性(如讀寫屬性、owner等，以及指向數據塊的指針)，數據區域塊則是文件內容。當查看某個文件時，會先從inode table中查出文件屬性及數據存放點，再從數據塊中讀取數據。
文件存儲結構大概如下：

其中目錄項的結構如下(每個文件的目錄項存儲在改文件所屬目錄的文件內容裡)：

其中文件的inode結構如下（inode裡所包含的文件信息可以通過stat
filename查看得到）：

inode簡介
上面我們看到了存儲設備的宏觀結構。我們要深入到分區的結構，特別是文件在分區中的存儲方式。文件是文件系統對數據的分割單元。文件系統用目錄來組織文件，賦予文件以上下分級的結構。在硬盤上實現這一分級結構的關鍵，是使用inode來虛擬普通文件和目錄文件對象。
在Linux文件管理中，我們知道，一個文件除了自身的數據之外，還有一個附屬信息，即文件的元數據(metadata)。這個元數據用於記錄文件的許多信息，比如文件大小，擁有人，所屬的組，修改日期等等。元數據並不包含在文件的數據中，而是由操作系統維護的。事實上，這個所謂的元數據就包含在inode中。我們可以用$ls
-l filename來查看這些元數據。正如我們上面看到的，inode所占據的區域與數據塊的區域不同。每個inode有一個唯一的整數編號(inode number)表示。
在保存元數據，inode是“文件”從抽象到具體的關鍵。正如上一節中提到的，inode儲存由一些指針，這些指針指向存儲設備中的一些數據塊，文件的內容就儲存在這些數據塊中。當Linux想要打開一個文件時，只需要找到文件對應的inode，然後沿著指針，將所有的數據塊收集起來，就可以在內存中組成一個文件的數據了。

數據塊在1, 32, 0, ...
inode並不是組織文件的唯一方式。最簡單的組織文件的方法，是把文件依次順序的放入存儲設備，DVD就采取了類似的方式。但果有刪除操作，刪除造成的空余空間夾雜在正常文件之間，很難利用和管理。
復雜的方式可以使用鏈表，每個數據塊都有一個指針，指向屬於同一文件的下一個數據塊。這樣的好處是可以利用零散的空余空間，壞處是對文件的操作必須按照線性方式進行。如果想隨機存取，那麼必須遍歷鏈表，直到目標位置。由於這一遍歷不是在內存進行，所以速度很慢。
FAT系統是將上面鏈表的指針取出，放入到內存的一個數組中。這樣，FAT可以根據內存的索引，迅速的找到一個文件。這樣做的主要問題是，索引數組的大小與數據塊的總數相同。因此，存儲設備很大的話，這個索引數組會比較大。
inode既可以充分利用空間，在內存占據空間不與存儲設備相關，解決了上面的問題。但inode也有自己的問題。每個inode能夠存儲的數據塊指針總數是固定的。如果一個文件需要的數據塊超過這一總數，inode需要額外的空間來存儲多出來的指針。
inode事例
在Linux中，我們通過解析路徑，根據沿途的目錄文件來找到某個文件。目錄中的條目除了所包含的文件名，還有對應的inode編號。當我們輸入$cat /var/test.txt時，Linux將在根目錄文件中找到var這個目錄文件的inode編號，然後根據inode合成var的數據。隨後，根據var中的記錄，找到text.txt的inode編號，沿著inode中的指針，收集數據塊，合成text.txt的數據。整個過程中，我們參考了三個inode：根目錄文件，var目錄文件，text.txt文件的inodes。
在Linux下，可以使用$stat filename，來查詢某個文件對應的inode編號。


在存儲設備中實際上存儲為右圖
當我們讀取一個文件時，實際上是在目錄中找到了這個文件的inode編號，然後根據inode的指針，把數據塊組合起來，放入內存供進一步的處理。當我們寫入一個文件時，是分配一個空白inode給該文件，將其inode編號記入該文件所屬的目錄，然後選取空白的數據塊，讓inode的指針指像這些數據塊，並放入內存中的數據。
7、軟連接、硬鏈接
軟鏈接和硬鏈接是我們常見的兩種概念：
硬連接：直接指向同一個inode的不同路徑彼此之間稱為硬鏈接是給文件一個副本，同時建立兩者之間的連接關系。修改其中一個，與其連接的文件同時被修改。如果刪除其中[color=red]任意一個[/color]其余的文件將不受影響。
軟連接:也叫符號連接,他只是對源文件在新的位置建立一個“快捷（借用一下wondows常用詞）”，指向另一個路徑（是一個字符串），最終訪問文件的權限是以哪個文件權限為准，所以，當源文件刪除時，符號連接的文件將成為無源之水->僅僅剩下個文件名了，當然刪除這個連接，也不會影響到源文件，但對連接文件的使用、引用都是直接調用源文件的。
具體關系可以看下圖：

從圖上可以看出硬鏈接和軟鏈接的區別：
1：硬鏈接原文件和新文件的inode編號一致。而軟鏈接不一樣。
2：對原文件刪除，會導致軟鏈接不可用，而硬鏈接不受影響。
3：對原文件的修改，軟、硬鏈接文件內容也一樣的修改，因為都是指向同一個文件內容的。
硬鏈接：
1、只能對文件創建，不能應用於目錄
2、不能跨文件系統
3、創建硬鏈接會增加文件系統被鏈接的次數
符號鏈接：
1、可應用於目錄
2、可以跨文件系統
3、不會增加被鏈接文件的鏈接次數
4、其大小為指定的路徑所包含的字符個數
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