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文件系统 linux ─── 第19课

news 来源：原创 2025/8/16 11:12:27

前面博客讲解的是内存级文件管理,接下来介绍磁盘级文件管理

文件系统分为两部分

内存级文件系统 : OS加载进程 ,进程打开文件, OS为文件创建struct file 和文件描述符表 ,将进程与打开的文件相连, struct file 内还函数有指针表, 屏蔽了底层操作的差异,struct file中还有内核级文件缓冲区(提高效率)
磁盘级文件系统: 管理磁盘上的文件

磁盘结构

它通过磁性材料或闪存技术将数据持久化存储，即使在断电后数据也不会丢失

主要分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）

今天我们讲解机械硬盘

机械硬盘（HDD，Hard Disk Drive）

工作原理：

使用磁性材料涂覆的旋转盘片存储数据, 比如磁性南极代表1 ,磁性北极代表0(打比方)

通过磁头在盘片上移动来读写数据

定位扇区

CHS寻址模式

        在硬盘的传统寻址模式中，数据是通过柱面（Cylinder）、磁头（Head）、扇区（Sector）的组合来寻址的，这种方式被称为CHS寻址（Cylinder-Head-Sector）

        扇区: 磁盘存储数据的基本单位 ,512字节, 因此,磁盘是块设备

        柱⾯上的每个磁道，扇区个数是⼀样的

注意: C H都是从0编码 ,S从1编码

真实过程⼀个细节：传动臂上的磁头是共进退的

LBA逻辑块寻址模式

        LBA(Logical Block Addressing)逻辑块寻址模式。在 LBA 模式下，我们知道硬盘上的一个数据区域由它所在的磁头、柱面（也就是磁道）和扇区所唯一确定。

        在LBA地址中，地址不再表示实际硬盘的实际物理地址（柱面、磁头和扇区）。LBA编址方式将 CHS这种三维寻址方式转变为一维的线性寻址，它把硬盘所有的物理扇区的C/H/S编号通过一定的规则转变为一线性的编号，系统效率得到大大提高，避免了烦琐的磁头/柱面/扇区的寻址方式。

        在访问硬盘时，由硬盘控制器再这种逻辑地址转换为实际硬盘的物理地址。

        OS只需要使⽤LBA就可以了！！LBA地址转成CHS地址，CHS如何转换成为LBA地址。谁做啊？？磁盘自己来做！固件(硬件电路，伺服系统)

LBA与C/H/S 之间的转换:

LBA =柱面号C*单个柱面的扇区总数 + 磁头号H*每个磁道扇区的数量+ 扇区号S-1

=柱面号*(磁头数*每个磁道扇区数)+磁头号H*每个磁道扇区的数量+ 扇区号S-1

柱面号C = LBA//(磁头数*每磁道扇区数) 就是单个柱面的扇区总数

磁头号H =(LBA% (磁头数* 每磁道扇区数)) // 每磁道扇区数

扇区号S =(LBA% 每磁道扇区数)+1

// 代表除法向下取整

所以：从此往后，在磁盘使用者看来，根本就不关心CHS地址，⽽是直接使⽤LBA地址，磁盘内部自己转换。所以：从现在开始，磁盘就是⼀个 元素为扇区 的⼀维数组，数组的下标就是每⼀个扇区的LBA地址。OS使用磁盘，就可以⽤⼀个数字访问磁盘扇区了。

在磁盘如何管理文件

引入"块"概念

其实硬盘是典型的“块”设备，操作系统读取硬盘数据的时候，其实是不会⼀个个扇区地读取，这样效率太低，⽽是⼀次性连续读取多个扇区，即⼀次性读取⼀个”块”（block）。

硬盘的每个分区是被划分为⼀个个的”块”。⼀个”块”的⼤⼩是由格式化的时候确定的，并且不可以更改，最常⻅的是4KB，即连续⼋个扇区组成⼀个”块”。”块”是⽂件存取的最⼩单位。

注意：

磁盘就是⼀个三维数组，我们把它看待成为⼀个"一维数组"，数组下标就是LBA，每个元素都是扇区
每个扇区都有LBA，那么8个扇区⼀个块，每⼀个块的地址我们也能算出来.
知道LBA：块号 = LBA / 8
知道块号：LAB=块号*8+n (n是块内第几个扇区 1<= n <=8)

引入"分区"概念

其实磁盘是可以被分成多个分区（partition）的，以Windows观点来看，你可能会有⼀块磁盘并且将它分区成C,D,E盘。那个C,D,E就是分区。分区从实质上说就是对硬盘的⼀种格式化。但是Linux的设备都是以文件形式存在，那是怎么分区的呢？

柱面是分区的最⼩单位，我们可以利⽤参考柱⾯号码的⽅式来进⾏分区，其本质就是设置每个区的起始柱⾯和结束柱⾯号码。此时我们可以将硬盘上的柱⾯（分区）进⾏平铺，将其想象成⼀个⼤的平面，如下图所示：

柱面大小⼀致，扇区个位⼀致，那么其实只要知道每个分区的起始和结束柱⾯号，知道每⼀个柱面多少个扇区，那么该分区多⼤，其实和解释LBA是多少也就清楚了.

也就是OS管理磁盘,通过分治思想,将磁盘进行分区处理,但分出的区大小还有几百GB ,进一步对区分组分成Block Group ,直接将每个组管理好即可.

文件 = 内容+属性
文件内容存储在(Block Group)组的 Data blocks中
文件属性也是数据 ,linux中文件的属性数据(比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等)以数据结构(inode)的方式存储
一个文件一个inode ,inode大小有128字节或者256字节, inode又存在 inodetable中
ls -l -i 可以打印出文件详细信息包括文件的inode值