【Linux初阶】基础IO - 磁盘 & 文件系统

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🍭🍭系列专栏：【Linux初阶】
✒️✒️本篇内容：认识磁盘（物理结构、储存结构、逻辑结构、读取单位），理解文件系统（分治思想、理解文件系统结构、查找读取新建删除文件的底层逻辑）
🚢🚢作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-

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一、没有被打开的文件如何被管理？

之前我们学习了被打开的文件是被操作系统内部的 files_struct结构体管理起来的，那么问题来了，没有被打开的文件要不要被管理呢？答案是要的！

没有被打开的文件存储于 磁盘 中，磁盘上面有大量的文件，磁盘上面的文件会被 文件系统 静态管理起来，方便我们随时打开。

二、认识磁盘

1.磁盘的物理结构

1. 我们目前很少见得到磁盘了，这里的磁盘指的是机械磁盘。我们的笔记本大多使用硬盘存储。
2. 磁盘和硬盘（ssd）都属于计算机物理存储结构，硬盘的造假更高，但是体积较小。
3. 对于计算机来说，磁盘是唯一的一个机械结构。
4. 硬盘 + 外设 = 硬盘访问会很慢（相对来说，机械运行得再快也快不过电信号）。
5. 在企业端，磁盘依旧是主流（由于经济效益更好、存储容量大、没有读写次数的限制）。

常识补充1

• 磁盘正常情况下是不可以拆卸的，一旦磁盘进入灰尘立马就会报废了！
• 磁头和盘面是没有接触的。由于磁头和盘面距离十分的接近，磁盘必须要防止抖动，因为盘片会被刮花而导致出现存储问题。企业的磁盘都是静态放置于机房的，所以符合磁盘的运行条件。
• 因为磁盘是慢设备，因此需要操作系统根据磁盘做相应得优化。

常识补充2

磁盘为什么叫磁盘，因为它得盘片上充满了各种磁化得单元，通过对磁化单元的充磁、退磁转化完成二进制数据的存储。

企业的磁盘损坏之后，企业会对磁盘进行消除数据（多次），大型企业会定制磁盘，让厂商提供磁盘深度清除接口，保证数据安全。

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2.磁盘的存储结构

磁盘的盘片我们外观上是光滑的，但是微观上并不是！

（1）认识盘片的结构

接下来让我们一起来认识一下盘片的结构：

一个盘片有两面，盘面上拥有一圈一圈的同心圆，我们称之为 磁道。以下图为例，一共有 7个同心圆，因此该盘片的这一面就有 7个磁道。

磁盘寻址的时候，基本单位不是 bit，也不是 byte。一般而言，我们磁盘寻址的基本单位为 扇区，一个扇区有 512byte。

以盘面圆心向外延申，我们将一个磁道切分为若干个扇形区域，这个区域我们称它为 扇区。我们可以通过上图中的绿色区域进行理解。

虽然圆心从内而外的扇区周长或者说大小不一样，但是它们的存储空间是一样的，都是 512byte。

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（2）在单面上定位扇区

在单面上，我们怎么定位一个扇区呢？

我么通过定位磁道，再找到对应的扇区。具体行为：磁头通过来回摆动确认是在哪一个磁道（磁头是横向摆动的），再通过盘片旋转的相对运动来定位扇区（转速非常快）。

这也就是为什么磁盘在运行时需要磁头来回摆动、盘片高速旋转的原因。

上面我们学习了磁盘的单面结构，实际上，我们磁盘是多盘多面的复式结构。

我们将各个盘面，同半径的圆上下视为一个整体，这就是 柱面。具体可通过上图理解。

磁头数 = 盘面数，磁头是共进退的，所有磁头的移动方向是一致的。在同一时间段内，磁头可以在同一柱面上的所有磁道进行查找。

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（3）在磁盘中定位扇区

如何在立体结构的磁盘中，定位一个扇区呢？

对于立体的磁盘结构来说，定位一个扇区，需要：先定位磁道（柱面），再定位磁头（定位盘面），最后再定位扇