linux基礎學習-16.6-文件系統

一、文件系統的介紹

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）可是文件系統上的數據是在這個分區上的，因此說文件系統是一個管理軟件。

文件系統把磁盤分爲兩片：元數據存儲區**(metadata)**（inode位圖、塊位圖、inode條目等等）、數據存儲區（數據存儲區又分爲多個邏輯存儲單元叫作磁盤塊（是邏輯概念））

任何文件系統中的數據分爲數據和元數據(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徵的系統數據，諸如訪問權限、文件擁有者以及文件數據塊的分佈信息(inode...)等等。可是元數據中★不包含文件名★文件名存放在磁盤塊上的。

二、文件系統層次分析

由上而下主要分爲用戶層、VFS層、文件系統層、緩存層、塊設備層、磁盤驅動層、磁盤物理層

用戶層：最上面用戶層就是咱們平常使用的各類程序，須要的接口主要是文件的建立、刪除、打開、關閉、寫、讀等。

VFS層：咱們知道Linux分爲用戶態和內核態，用戶態請求硬件資源須要調用System Call經過內核態去實現。用戶的這些文件相關操做都有對應的System Call函數接口，接口調用 VFS對應的函數。

文件系統層：不一樣的文件系統實現了VFS的這些函數，經過指針註冊到VFS裏面。因此，用戶的操做經過VFS轉到各類文件系統。文件系統把文件讀寫命令轉化爲對磁盤LBA的操做，起了一個翻譯和磁盤管理的做用。

緩存層：文件系統底下有緩存，Page Cache，加速性能。對磁盤LBA的讀寫數據緩存到這裏。

塊設備層：塊設備接口Block Device是用來訪問磁盤LBA的層級，讀寫命令組合以後插入到命令隊列，磁盤的驅動從隊列讀命令執行。Linux設計了電梯算法等對不少LBA的讀寫進行優化排序，儘可能把連續地址放在一塊兒。

磁盤驅動層：磁盤的驅動程序把對LBA的讀寫命令轉化爲各自的協議，好比變成ATA命令，SCSI命令，或者是本身硬件能夠識別的自定義命令，發送給磁盤控制器。Host Based SSD甚至在塊設備層和磁盤驅動層實現了FTL，變成對Flash芯片的操做。

磁盤物理層：讀寫物理數據到磁盤介質。

三、文件系統結構與工做原理（主要以ext4爲例）

咱們都知道，windows文件系統主要有fat、ntfs等，而linux文件系統則種類多的很，主要有VFS作了一個軟件抽象層，

向上提供文件操做接口，向下提供標準接口供不一樣文件系統對接，下面主要就以EXT4文件系統爲例，講解下文件系統結構與工做原理：

上面兩個圖大致呈現了ext4文件系統的結構，從中也相信可以初步的領悟到文件系統讀寫的邏輯過程。下面對上圖裏邊的構成元素作個簡單的講解：

引導塊：爲磁盤分區的第一個塊，記錄文件系統分區的一些信息，，引導加載當前分區的程序和數據被保存在這個塊中。通常佔用2kB，

1）超級塊：

超級塊用於存儲文件系統全局的配置參數(譬如：塊大小，總的塊數和inode數)和動態信息(譬如：當前空閒塊數和inode數)，其處於文件系統開始位置的1k處，所佔大小爲1k。爲了系統的健壯性，最初每一個塊組都有超級塊和組描述符表(如下將用GDT)的一個拷貝，可是當文件系統很大時，這樣浪費了不少塊(尤爲是GDT佔用的塊多)，後來採用了一種稀疏的方式來存儲這些拷貝，只有塊組號是3, 5 ,7的冪的塊組(譬如說1,3,5,7,9,25,49…)才備份這個拷貝。一般狀況下，只有主拷貝(第0塊塊組)的超級塊信息被文件系統使用，其它拷貝只有在主拷貝被破壞的狀況下才使用。

2）塊組描述符：

GDT用於存儲塊組描述符，其佔用一個或者多個數據塊，具體取決於文件系統的大小。它主要包含塊位圖，inode位圖和inode表位置，當前空閒塊數，inode數以及使用的目錄數(用於平衡各個塊組目錄數)，具體定義能夠參見ext3_fs.h文件中struct ext3_group_desc。每一個塊組都對應這樣一個描述符，目前該結構佔用32個字節，所以對於塊大小爲4k的文件系統來講，每一個塊能夠存儲128個塊組描述符。因爲GDT對於定位文件系統的元數據很是重要，所以和超級塊同樣，也對其進行了備份。GDT在每一個塊組(若是有備份)中內容都是同樣的，其所佔塊數也是相同的。從上面的介紹能夠看出塊組中的元數據譬如塊位圖，inode位圖,inode表其位置不是固定的，固然默認狀況下，文件系統在建立時其位置在每一個塊組中都是同樣的，如圖2所示(假設按照稀疏方式存儲，且n不是3,5,7的冪)

3）塊組：

每一個塊組包含一個塊位圖塊，一個 inode 位圖塊，一個或多個塊用於描述 inode 表和用於存儲文件數據的數據塊，除此以外，還有可能包含超級塊和全部塊組描述符表(取決於塊組號和文件系統建立時使用的參數)。下面將對這些元數據做一些簡要介紹。

4）塊位圖：

塊位圖用於描述該塊組所管理的塊的分配狀態。若是某個塊對應的位未置位，那麼表明該塊未分配，能夠用於存儲數據；不然，表明該塊已經用於存儲數據或者該塊不可以使用(譬如該塊物理上不存在)。因爲塊位圖僅佔一個塊，所以這也就決定了塊組的大小。

5）Inode位圖：

Inode位圖用於描述該塊組所管理的inode的分配狀態。咱們知道inode是用於描述文件的元數據，每一個inode對應文件系統中惟一的一個號，若是inode位圖中相應位置位，那麼表明該inode已經分配出去；不然可使用。因爲其僅佔用一個塊，所以這也限制了一個塊組中所可以使用的最大inode數量。

6）Inode表：

Inode表用於存儲inode信息。它佔用一個或多個塊(爲了有效的利用空間，多個inode存儲在一個塊中)，其大小取決於文件系統建立時的參數，因爲inode位圖的限制，決定了其最大所佔用的空間。

以上這幾個構成元素所處的磁盤塊成爲文件系統的元數據塊，剩餘的部分則用來存儲真正的文件內容，稱爲數據塊，而數據塊其實也包含數據和目錄。

瞭解了文件系統的結構後，接下來咱們來看看操做系統是如何讀取一個文件的：

大致過程以下：

1）根據文件所在目錄的inode信息，找到目錄文件對應數據塊

2）根據文件名從數據塊中找到對應的inode節點信息

3）從文件inode節點信息中找到文件內容所在數據塊塊號

4）讀取數據塊內容

到這裏，相信不少人會有一個疑問，咱們知道一個文件只有一個Inode節點來存放它的屬性信息，那麼你可能會想若是一個大文件，那它的block必定是多個的，且可能不連續的，那麼inode怎麼來表示呢,下面的圖告訴你答案:

也就是說，若是文件內容太大，對應數據塊數量過多，inode節點自己提供的存儲空間不夠，會使用其餘的間接數據塊來存儲數據塊位置信息，最多能夠有三級尋址結構。

到這裏，應該都已經很是清楚文件讀取的過程了，那麼下面再拋出兩個疑問：

1）文件的拷貝、剪切的底層過程是怎樣的？

2）軟鏈接和硬鏈接分別是如何實現的？

下面來結合stat命令動手操做一下，便知真相：

1）拷貝文件：建立一個新的inode節點，而且拷貝數據塊內容

2）剪切文件：同個分區裏邊mv，inode節點不變，只是更新目錄文件對應數據塊裏邊的文件名和inode對應關係；跨分區mv，則跟拷貝一個道理，須要建立新的inode，由於inode節點不一樣分區是不能共享的。

3）軟鏈接：建立軟鏈接會建立一個新的inode節點，其對應數據塊內容存儲所連接的文件名信息，這樣原文件即使刪除了，從新創建一個同名的文件，軟鏈接依然可以生效。

4)硬連接：建立硬連接，並不會新建inode節點，只是links加1，還有再目錄文件對應數據塊上增長一條文件名和inode對應關係記錄；只有將硬連接和原文件都刪除以後，文件纔會真正刪除，即links爲0才真正刪除。

練習題：

一、什麼是文件系統

二、文件系統結構與工做原理