linux: 文件系統基礎知識

轉載： http://linux.cn/blog-15563-5821.html

 

linux文件系統基礎知識

下面是有關linux文件系統知識的學習筆記：

一、linux文件系統分配策略：

    塊分配( block allocation ) 和 擴展分配  ( extent allocation )

    塊分配：磁盤上的文件塊根據須要分配給文件，避免了存儲空間的浪費。但當文件擴充時，會形成文

件中文件塊的不連續，從而致使過多的磁盤尋道時間。

            每一次文件擴展時，塊分配算法就須要寫入文件塊的結構信息，也就是 meta-dada 。meta-

data老是與文件一塊兒寫入存儲設備，改變文件的操做要等到全部meta-data的操做都完成後才能進行，

            所以，meta-data的操做會明顯下降整個文件系統的性能。

    擴展分配： 文件建立時，一次性分配一連串連續的塊，當文件擴展時，也一次分配不少塊。meta-

data在文件建立時寫入，當文件大小沒有超過全部已分配文件塊大小時，就不用寫入meta-data，直到須要

再分配文件塊的時候。

                擴展分配採用成組分配塊的方式，減小了SCSI設備寫數據的時間，在讀取順序文件時具

有良好的性能，但隨機讀取文件時，就和塊分配相似了。

                文件塊的組或塊簇 ( block cluster) 的大小是在編譯時肯定的。簇的大小對文件系統

的性能有很大的影響。

    注： meta-data 元信息：和文件有關的信息，好比權限、全部者以及建立、訪問或更改時間等。

二、文件的記錄形式

    linux文家系統使用索引節點(inode)來記錄文件信息。索引節點是一種數據結構，它包含了一個文件

的長度、建立及修改時間、權限、所屬關係、磁盤中的位置等信息。

一個文件系統維護了一個索引節點的數組，每一個文件或目錄都與索引節點數組中的惟一的元素對應。每一個

索引節點在數組中的索引號，稱爲索引節點號。

    linux文件系統將文件索引節點號和文件名同時保存在目錄中，因此，目錄只是將文件的名稱和它的索

引節點號結合在一塊兒的一張表，目錄中每一對文件名稱和索引節點號稱爲一個鏈接。

對於一個文件來講，有一個索引節點號與之對應；而對於一個索引節點號，卻能夠對應多個文件名。

    鏈接分爲軟鏈接和硬鏈接，其中軟鏈接又叫符號鏈接。

    硬鏈接： 原文件名和鏈接文件名都指向相同的物理地址。目錄不能有硬鏈接；硬鏈接不能跨文件系統

(不能跨越不一樣的分區)，文件在磁盤中只有一個拷貝。

            因爲刪除文件要在同一個索引節點屬於惟一的鏈接時才能成功，所以硬鏈接能夠防止沒必要要

的誤刪除。

    軟鏈接： 用 ln -s 命令創建文件的符號鏈接。符號鏈接是linux特殊文件的一種，做爲一個文件，它

的數據是它所鏈接的文件的路徑名。沒有防止誤刪除的功能。

三、文件系統類型：

    

    ext2 ： 早期linux中經常使用的文件系統

    ext3 ： ext2的升級版，帶日誌功能

    RAMFS ： 內存文件系統，速度很快

    NFS ： 網絡文件系統，由SUN發明，主要用於遠程文件共享

    MS-DOS ： MS-DOS文件系統

    VFAT ： Windows 95/98 操做系統採用的文件系統

    FAT ： Windows XP 操做系統採用的文件系統

    NTFS ： Windows NT/XP 操做系統採用的文件系統

    HPFS ： OS/2 操做系統採用的文件系統

    PROC : 虛擬的進程文件系統

    ISO9660 ： 大部分光盤所採用的文件系統

    ufsSun : OS 所採用的文件系統

    NCPFS ： Novell 服務器所採用的文件系統

    SMBFS ： Samba 的共享文件系統

    XFS ： 由SGI開發的先進的日誌文件系統，支持超大容量文件

    JFS ：IBM的AIX使用的日誌文件系統

    ReiserFS : 基於平衡樹結構的文件系統

    udf: 可擦寫的數據光盤文件系統

四、虛擬文件系統VFS

    

    linux支持的全部文件系統稱爲邏輯文件系統，而linux在傳統的邏輯文件系統的基礎上增長料一個蓄

念文件系統( Vitual File System ,VFS) 的接口層。

    虛擬文件系統(VFS) 位於文件系統的最上層，管理各類邏輯文件系統，並能夠屏蔽各類邏輯文件系統

之間的差別，提供統一文件和設備的訪問接口。

五、文件的邏輯結構

    文件的邏輯結構可分爲兩大類： 字節流式的無結構文件 和 記錄式的有結構文件。

    由字節流（字節序列）組成的文件是一種無結構文件或流式文件 ，不考慮文件內部的邏輯結構，只是

簡單地看做是一系列字節的序列，便於在文件的任意位置添加內容。

    由記錄組成的文件稱爲記錄式文件 ，記錄是這種文件類型的基本信息單位，記錄式文件通用於信息管

理。

六、文件類型

    

    普通文件 ： 一般是流式文件

    目錄文件 ： 用於表示和管理系統中的所有文件

    鏈接文件 ： 用於不一樣目錄下文件的共享

    設備文件 ： 包括塊設備文件和字符設備文件，塊設備文件表示磁盤文件、光盤等，字符設備文件按

照字符操做終端、鍵盤等設備。

    管道(FIFO)文件 :  提供進程建通訊的一種方式

    套接字(socket) 文件： 該文件類型與網絡通訊有關

七、文件結構： 包括索引節點和數據

    索引節點 ： 又稱 I 節點，在文件系統結構中，包含有關相應文件的信息的一個記錄，這些信息包括

文件權限、文件名、文件大小、存放位置、創建日期等。文件系統中全部文件的索引節點保存在索引節點

表中。

    數據  ： 文件的實際內容。能夠是空的，也能夠很是大，而且擁有本身的結構。

八、ext2文件系統

    

    ext2文件系統的數據塊大小通常爲 1024B、2048B 或 4096B

    ext2文件系統採用的索引節點(inode)：

        索引節點採用了多重索引結構，主要體如今直接指針和3個間接指針。直接指針包含12個直接指針

塊，它們直接指向包含文件數據的數據塊，緊接在後面的3個間接指針是爲了適應文件的大小變化而設計的

。

    e.g： 假設數據塊大小爲1024B ，利用12個直接指針，能夠保存最大爲12KB的文件，當文件超過12KB

時，則要利用單級間接指針，該指針指向的數據塊保存有一組數據塊指針，這些指針依次指向包含有實際

數據的數據塊，

        假如每一個指針佔用4B，則每一個單級指針數據塊可保存 1024/4＝256 個數據指針，所以利用直接指

針和單級間接指針可保存 1024*12＋1024*256＝268 KB的文件。當文件超過268KB時，再利用二級間接指針

，直到使用三級間接指針。

        利用直接指針、單級間接指針、二級間接指針、三級間接指針可保存的最大文件大小爲：

            1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256＝16843020 KB，約 16GB

        若數據塊大小爲2048B，指針佔4B，則最大文件大小爲： 

2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512＝268,960,792 KB 約 268GB

        若數據塊大小爲4096B，指針佔4B，則最大文件大小爲： 

4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024＝4,299,165,744 KB ，約 4TB

    注： 命令 tune2fs -l /dev/sda5  可查看文件系統

    ext2文件系統最大文件名長度： 255個字符

    

    ext2文件系統的缺點： 

            ext2在寫入文件內容的同時並無同時寫入文件meta-data，    其工做順序是先寫入文件的

內容，而後等空閒時候才寫入文件的meta-data。若發生意外，則文件系統就會處於不一致狀態。

        在從新啓動系統的時候，linux會啓動 fsk ( file system check) 的程序，掃描整個文件系統並

試圖修復，但不提供保證。

九、ext3文件系統：

    

    ext3基於ext2的代碼，因此磁盤格式與ext2相同，使用相同的元數據。

    ext2文件系統無損轉化爲ext3文件系統：  tune2fs  -j /dev/sda6

    

    日誌塊設備( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系統日誌功能。JBD不是ext3文件系

統所特有的，它的設計目標是爲了向一個塊設備添加日誌功能。

    當一個文件修改執行時，ext3文件系統代碼將通知JBD，稱爲一個事務(transaction)。發生意外時，

日誌功能具備的重放功能，能從新執行中斷的事務。

    

    日誌中的3種數據模式：

        1)、data=writeback ：不處理任何形式的日誌數據，給用戶總體上的最高性能

        2)、data=odered ：只記錄元數據日誌，但將元數據和數據組成一個單元稱爲事務(transaction) 

。此模式保持所句句的可靠性與文件系統的一致性，性能遠低於data=writeback模式，但比data=journal

模式快

        3)、data=journal ：提供完整的數據及元數據日誌，全部新數據首先被寫入日誌，而後才被定位

。意外發生事後，日誌能夠被重放，將數據與元數據帶回一致狀態。這種模式總體性能最慢，但數據須要

從磁盤讀取和寫入磁盤時倒是3種模式中最快的。

    ext3文件系統最大文件名長度： 255個字符

    ext3文件系統的優勢：可用性、數據完整性、速度、兼容性

十、ReiserFS文件系統

    

    ReiserFS文件系統是由Hans Reiser和他領導的開發小組共同開發的，整個文件系統徹底是從頭設計的

，是一個很是優秀的文件系統。也是最先用於Linux的日誌文件系統之一。

    ReiserFS的特色

     先進的日誌機制

        ReiserFS有先進的日誌(Journaling/logging)功能 機制。日誌機制保證了在每一個實際數據修改之

前，相應的日誌已經寫入硬盤。文件與數據的安全性有了很大提升。

     高效的磁盤空間利用

        Reiserfs對一些小文件不分配inode。而是將這些文件打包，存放在同一個磁盤分塊中。而其它文

件系統則爲每一個小文件分別放置到一個磁盤分塊中。

     獨特的搜尋方式

        ReiserFS基於快速平衡樹(balanced tree)搜索，平衡樹在性能上很是卓越，這是一種很是高效的

算法。ReiserFS搜索大量文件時，搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件系統使用B*Tree存儲文件，而

其它文件系統使用B+Tree樹。B*Tree查詢速度比B+Tree要快不少。Reiserfs在文件定位上速度很是快。

        在實際運用中，ReiserFS 在處理小於 4k 的文件時，比ext2 快 5 倍；帶尾文件壓縮功能（默認

）的ReiserFS 比ext2文件系統多存儲6%的數據。

    支持海量磁盤

        ReiserFS是一個很是優秀的文件系統，一直被用在高端UNIX系統上，可輕鬆管理上百G的文件系統

，ReiserFS文件系統最大支持的文件系統尺寸爲16TB。這很是適合企業級應用中。

    優異的性能

        因爲它的高效存儲和快速小文件I/O特色，使用ReiserFs文件系統的PC，在啓動X窗口系統時，所

花的時間要比在同一臺機器上使用ext2文件系統少1/3。另外，ReiserFS文件系統支持單個文件尺寸爲4G的

文件，這爲大型數據庫系統在linux上的應用提供了更好的選擇。