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linux基础学习--linux磁盘与文件管理系统

news 来源：原创 2025/8/18 0:23:39

linux磁盘与文件管理系统

1.认识linux系统

1.1 磁盘组成与分区的复习

首先了解磁盘的物理组成，主要有：

  • 圆形的碟片（主要记录数据的部分）。
  • 机械手臂，与在机械手臂上的磁头（可擦写碟片上的内容）。
  • 主轴马达，可以转动碟片，让机械手臂的磁头在碟片上读写数据。
    数据存储与读取的重点在于碟片，而碟片上的物理组成为：
  • 扇区切最小的物理存储单位，且根据磁盘设计的不同，目前有512B和4KB两种格式。
  • 将扇区组成一个圆，就是柱面。
  • 早期分区主要以柱面作为最小的分区单位，现在的分区通常使用扇形作为最小分区单位（每个扇区都有其号码，就好像座位一样）。
  • 磁盘分区主要有两种格式，一种是限制较多的MBR分区表，一种是较新且限制较少的GPT分区表；
  • MBR分区表中，第一个扇区最为重要，里面有：主引导记录，及分区表，其中MBR占有446B，而分区表则占有64B。
  • GPT分区表除了分区数量扩充较多之外，支持的磁盘空间也可以超过2TB。
    基本上所有物理磁盘的文件都被模拟成/dev/sd[a-p]的格式，第一块磁盘名为/dev/sda，分区的文件名以第一块磁盘为例，为/dev/sda[1-28]，除物理磁盘下，虚拟机的磁盘通常为/dev/vd[a-p]的格式。如果有使用到软件磁盘阵列的话，还有/dev/md[0-128]的磁盘文件名。使用LVM时，文件名则为/dev/VGANE/LVNAME。我们这里主要学习物理磁盘和虚拟磁盘。
  • /dev/sd[a-p][1-128]：为物理磁盘的文件名。
  • /dev/vd[a-d][1-128]：为虚拟磁盘的文件名。
1.2 文件系统特性

在磁盘分区完毕后，还需要进行格式化，之后操作系统才能使用这个文件系统。
这是因为每种操作系统所设置的文件属性/权限并不相同，为了存放这些文件所需数据，因此就需要将分区进行格式化，已成为操作系统能够利用的文件系统格式。
通常我们称一个可被挂载的数据为一个文件系统而不是一个分区。
在操作系统的文件中，除了实际内容外，还有很多属性，如Linux操作系统的文件权限（rwx）与文件属性（拥有者，用户组，时间参数等）。文件系统通常会将这两部分的数据分别存放在不同的区块，权限与属性放置到inode中，至于实际数据则放置到数据区块中。此外，还有一个超级区块（superblock）会记录整个文件系统的整体信息，包括inode与数据区块的总量，使用量，剩余量等
每个inode与区块都有编号，至于这三个数据的意义简略说明如下：

  • 超级区块 ：记录此文件系统的整体信息，包括inode与数据区块的总量，使用量，剩余量，以及文件系统的格式与相关信息等。
  • inode ：记录文件的属性，一个文件占用一个inode，同时记录此文件的数据所在的区块号码。
  • 数据区块 ：实际记录文件的内容，如果文件太大，会占用多个区块。
    每个inode与数据区块都有编号，每个文件都占用一个inode，inode内有文件数据放置的区块号码。因此找到了文件的inode，就找到了文件数据区块的号码，就能读出文件的实际数据。
    这种数据存取方式称为索引式文件系统。
    还有其他常用的文件系统，比如U盘使用的FAT格式的文件系统，
    因为这种文件系统中没有inode存在，如果一个文件数据写入的区块太松散，需要读取磁盘好几次才能完整读取这个文件。
    所谓碎片整理，就是因为文件写入的区块太过于离散，文件读取的性能会变的很差，需要通过碎片整理将同一个文件所属的区块都集合到一起，这样数据的读取会比较容易。
1.3 Linux的ext2文件系统（inode）

标准的ext2文件系统就是这种含有inode，数据区块，超级区块等，以inode为基础的Linux文件系统。
文件系统一开始就将inode和数据区块规划好了，除非重新格式化（或利用resize2fs等命令修改其大小），否则inode与数据区块固定后就不再变动了。
当文件系统有数百GB，再将所有inode和数据区块都放在一起就很不易管理了。
因此，ext2文件系统格式化时基本上是区分成多个区块群组（block group），每个区块都有独自的inode，数据区块，超级区块系统。
在ext2文件系统中，最前面有一个启动扇区，这个启动扇区可以安装启动引导程序。
每一个区块群组的六个内容如下：

  • 数据区块（data block）
    数据区块是用来放置文件数据的地方，在ext2文件系统中所支持的区块大小有1K，2K及4K三种。格式化是区块大小就被固定了，且每个区块都有编号。而区块大小也会产生差异：
Block 大小1 KB2 KB4 KB
最大单一文件大小16 GB256 GB2 TB
最大文件系统总容量2 TB8 TB16 TB

ext2文件系统还有一些限制：

  • 原则上，区块的大小和数量在格式化完成后就不能再修改（除非重新格式化）。
  • 每个区块内最多只能放置一个文件的数据。
  • 承上，如果文件大于区块的大小，则一个文件会占用多个区块数量。
  • 承上，如果文件小于区块，则该区块的剩余容量就不能够再被使用了（磁盘空间被浪费了）。
    由于这些限制，当小文件较多时，而区块较大，例如区块为4KB，而小文件仅为50B，那么每个区块都将浪费4046B的空间。
    那么将区块设置为1KB呢？这样但文件会占用很多区块，而每个区块的inode都需要被记录，造成读写性能不佳。
  • inode table（inode表）
    基本上，inode记录文件的属性及文件数据放置区块的编号，至少有下面的：
  • 该文件的读写属性（read，write，excute）。
  • 该文件的拥有者与用户组（owner，group）。
  • 该文件的大小。
  • 该文件建立或状态改变的时间（ctime）。
  • 最近一次的读取时间（atime）。
  • 最近修改的时间（mtime）。
  • 定义文件特性的标识（flag），如SetUID。
  • 该文件真正内容的指向（pointer）。
    inode的数量与大小也是在格式化时就已经固定了，除此之外还有一些特点：
  • 每个inode大小均固定为128B（新的ext4与xfs可设置到256B）；
  • 每个文件都仅会占用一个inode而已。
  • 承上，因此文件系统能够建立的文件数量与inode的数量有关。
  • 系统读取文件时需要先找到inode，并分析inode所记录的权限与用户是否符合，若符合才能读取区块的内容。
  • Superblock（超级区块）
    超级区块时记录整个文件系统相关信息的地方，没有超级区块，就没有这个文件系统，它记录的信息有：
    • 数据区块与inode的总量。
    • 未使用与已使用的inode与数据区块数量。
    • 数据区块与inode的大小（block为1，2，4K，inode为128B或256B）。
    • 文件系统的挂载时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等文件系统的相关信息。
    • 一个有效位数值，若该文件系统已被挂载，则有效位为0，若未被挂载，则有效位为1。
      一个文件系统应该仅有一个超级区块，位于它的第一个区块群组，后续的区块1群组中也可能含有超级区块，不过都是对第一个超级区块的备份。
  • Filesystem Description（文件系统描述说明）
    这个区段可以描述每个区块群组的开始与结束的区块，以及说明每个区块（超级区块，对照表，inode对照表，数据区块）分别介于哪个区块之间。
  • 区块对照表（block bitmap）
    从区块对照表中可以知道那些区块是空的，因此我们的系统就能够快速的找到可使用的空间来处理文件。
    删除文件，对应区块空出来时，对照表中他们的状态就会变成未使用中。
  • inode对照表（inode bitmap）
    与区块对照表功能类似

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