【Linux】文件系统

原创于 2025-12-19 09:00:00 发布 · 452 阅读

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之前讲述的是一个被打开的文件，操作系统会通过进程来管理打开的文件。如果一个文件没有被打开，那么这个文件是磁盘中存储的。

文件 = 文件内容 + 文件属性 ——>磁盘上存储的文件 = 存文件的内容 + 存文件的属性，再磁盘中：

文件的内容 = 数据块
文件的属性 = inode

总的来讲，Linux的文件在磁盘中存储，是将属性和内容分开存储的。

认识硬件——磁盘

磁盘的物理构成

磁盘是一种用于存储数据的物理设备，能够长期保存信息。磁盘分为机器磁盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。

机械磁盘：容量大、成本低、读写速度快，一般适合大容量存储。
固态硬盘：基于闪存技术，读写速度快，功耗低，但是价格较高且写入寿命有限，一般适用于需要高速读写的场景，如操作系统，游戏或者数据库。

磁盘是电脑中的唯一的机械设备，也是一个外设。

关于磁盘的一些扩展知识，数据通过改变磁盘片上磁性颗粒的极性来存储。盘片旋转时，磁头移动到目标磁道，完成读写操作。

磁头是一面一个
磁头和盘面是不接触的
磁盘是永久性存储介质，内存是临时性存储介质，内存在断电后数据会丢失。

磁盘的存储构成

从主轴向外扩展由很多的同心圆，每一个同心圆都是一个磁道。每一个磁道存在着无数的扇区。

磁盘被访问的最基本单元是扇区——512字节/4KB
可以将磁盘看作是无数个扇区构成的存储介质

要把数据存储到磁盘，首先需要定位扇区，如何定位：

首先确定是哪一个盘面，本质是定位哪一个磁头（磁头和盘面是1:1）
其次确定是哪一个磁道
再确定是哪一个扇区

【说明】磁头在左右摆动时，就是在确定磁道和柱面。当磁头确定好之后，盘片开始旋转就是在确定扇区。对于磁盘来说

磁盘运动越少，效率越高
磁盘运动越多，效率越低

所以，在软件设计时，设计者一定需要有意识的将相关数据放在一起。

Cylinder Header Sector——>CHS寻址方式

对磁盘进行逻辑结构

对磁盘进行逻辑抽象可以理解为磁带，当磁带卷起来就类似于磁盘的同心圆结构。此时可以在逻辑上将其延展开，类似于是线性的。

类似的，磁盘也可以抽象成线性的。

最后一个磁盘会被分为以扇区为基本单位的数组，任意一个扇区都有下标。

已知扇区编号（下标）58888，有6个盘面，每个盘面有50个磁道，每个磁道400个扇区。则根据扇区编号可以逆推出该扇区是在第3个盘面，第48个磁道中第378个扇区。

逻辑扇区地址（LBA地址）与物理地址（CHS地址）互相转换。

回归到硬件

在计算机中，不仅仅CPU有”寄存器”，其他设备例如外设、磁盘也有寄存器。

磁盘中的寄存器：

控制寄存器——发送读/写信号，即IO方向
数据寄存器——数据
地址寄存器——地址（LAB地址）
状态寄存器——检查状态是未就绪还是已经就绪。

理解文件系统

为了管理一个较大的磁盘空间，操作系统会将这部分磁盘空间分割成几部分来管理，类似于：

struct partion
{
    int start;
    int end;
}

struct partion part[5];

为了管理这个200GB分区，将这个200GB硬盘分区划分为一个个的block。

Boot Block：会记录操作系统中启动的信息，操作系统在哪个位置，磁盘被划分为几个分区，总的来说就是开机相关的字段。这个Boot Block不仅仅在这个分区存在，在其他分区也可能会存在。当这个分区的Boot Block不小心被销毁，可以在其他分区的Boot Block查找备份。
Block Group：文件系统会根据分区的大小再细划分为数个Block Group，而每个Block Group都有着相同的结构组成。

而每个Block Group就是文件系统，只需要将一个Block Group管理好，整个分区就可以管理好，整个分区管理好，那么这个磁盘文件就可以管理好，这种管理方式称为分治。

超级块（super Block）：存放文件系统本身的结构信息。
GDT（Group Descriptor Table）：描述的是整个分组的情况

下面是存储数据的内容：

Data blocks：存储文件内容的区域，将扇区以块的方式呈现出来。块的大小一般是1024、2048或者4096字节，一般是4096字节也就是4KB，也被称为文件系统的块大小。一般而言每一个块只有自己的数据。
inode Table：单个文件的所有属性，一般大小是128字节。一般而言，一个文件一个inode，所以一定会存在多个inode。每一个inode都会用唯一的编号。

【说明】文件的属性中，不包含文件文件的名称，只会知道文件的编号。

指令：ls -li

【功能】查看文件的属性及inode编号

// inode属性信息
#define NUM 15
struct inode
{
    以下是部分可能的属性信息：
    // inode number;
    // 文件属性
    // 权限    
    // 引用计数
    // 拥有者
    // 所属组
    // ACM时间
    // int block[num];
}

通过inode属性中的block数组可以查找到存储文件内容的区域

块位图（Block Bitmap）：Data blocks中存储着多少个块，这里就会存储多个bit位。bit位中0/1来记录Data Blocks中哪个数据块被占用，哪个数据块没有被占用。bit位的位置和块号映射。bit位的内容表示该块没有被使用。

【注意】删除一个块的内容的时候，不需要将块中的内容清空。只需要将块位图中的bit为置为0即可。

inode位图（inode Bitmap）：bit位的位置和inode编号映射起来，来表示inode是否空闲可以使用。

下面理解前两个区域：

GDT（Group Descriptor Table）：块组描述符，描述整个分组的基本属性信息。

【注意】Block Bitmap和inode Bitmap主要描述Data blocks以及inode Bitmap中哪些被使用，哪些没有被使用，也就是分配情况。而GDT则是描述总结这些信息一共有多少块，哪些块使用，哪些没有被使用，也就是基本信息。

超级块（Super Block）：存放文件系统本身的基本信息看，里面包含的是整个分区的基本使用情况。记录的信息主要有：block和inode的总量，未使用的block和inode的数量，一共block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。

【注意】Super Block不需要在每一个分组中都存在。

【结论】每一个分区在被使用之前，都必须提前先将部分文件系统的属性信息提取设置进对应的分区中，方便后续使用这个分区或者分组——这种提前写入属性信息的方式——>格式化。

指令：stat [filename]

【功能】查看文件的属性信息

【说明】Linux系统中，一个文件，一个inode，每一个inode都有自己的inode编号（只在自己的分区内全部有效，即inode的设置是以分区为单位的，不能跨分区），inode表示文件的所有属性，但是文件名不属于inode内的属性。

新建一个文件，系统要做什么？

【答】创建一个文件会先通过路径查找应该在哪一个分组开始创建，然后通过GDT找到在这个分组中是否存在空闲的区域，然后设置inode编号与inode Bitmap建立联系，确定文件的大小，在Block Bitmap中确定没有使用的块，最后再在inode Table中填写属性信息，在Data Blocks中填写内容。

理解目录

上面所有的文件系统的操作都是基于inode的，但是正常在使用文件的时候都是通过文件名称的，而从来没关心过inode。

Linux下一切皆文件，目录也是文件，目录也有自己的属性和inode编号。

目录文件 = 目录内容 + 目录属性
目录也有Block数据块，里面存放的是该目录下，文件的文件名和对应文件的inode编号的映射关系.

问题：为什么同一个目录下不能有同名文件？

【答】一个目录下，存在唯一的文件内容，在这个文件内容中，文件名和inode编号是一一对应的。

问题：目录下没有w权限时，是不能创建文件的？

【答】没有w权限，当想要创建文件的时候，无法在该目录文件下进行inode编号与文件名直接的映射。

问题：目录下没有r权限时，无法查看该目录下的文件？

【答】没有r权限，无法读取该目录下文件名与inode编号的映射关系，也就在底层找不到该文件，查看不到该文件的内容.

问题：目录下没有x权限时，无法进入该文件？

【答】没有x权限，系统被禁止读取目录文件与inode的映射关系，也就无法打开该文件。

理解软硬链接

指令：ln [filename] [name]

【功能】代表建立硬链接

指令：ln -s [filename] [name]

【功能】ln代表建立链接，-s选项代代表soft，即建立软链接

【结论】

软链接是一个独立的文件，因为其具有独立的inode。
硬链接不是一个独立的文件，因为其没有独立的inode。

硬链接

所谓建立硬链接，本质其实就是在特定目录的数据块中新增文件名和指向文件的inode编号的映射关系。
任意一个文件，无论是目录还是普通文件，都有inode编号；每一个inode内部，都有一个叫做引用计数的计数器，这个引用计数所表明的是有多少个文件指向该inode的。
目录里面保存的是文件名与inode编号的映射关系，在目录中可以存在多个文件名映射同一个inode

文件名1：inode 11223344

文件名2：inode 11223344

文件名3：inode 11223344

文件名4：inode 11223344

【注意】当需要删除一个文件的时候，需要通过inode编号查找该引用计数，删除文件只是将引用计数-1，当引用计数为0的时候才会删除文件。

软链接

软连接是一个独立的文件，有独立的inode编号，也有独立的数据块，其数据块里面保存的是指向文件的路径
删除软链接的文件不影响源文件，但是删除源文件会影响软链接的文件。
软链接相当于快捷方式

【说明】软连接在Windows环境中类似于桌面快捷方式，通过快捷方式查找源文件。

指令：unlink [soft-link-filename]

【功能】取消软链接

软链接应用场景

安装好一个软件时，想要打开程序需要在一串路径中才能打开程序，通过软链接创建快捷方式，以此来方便打开程序
在Linux环境中，安装好一个程序，想要打开这个程序，需要在特定目录下打开该程序，只需要在/usr/bin/目录下设置一个该程序的软链接，即可通过指令的方式打开该程序。

硬链接应用场景

文本文件的硬链接数是1
目录文件的硬链接数是2，第一组映射关系是该目录名与inode编号的映射关系，第二组映射关系是当进入该目录后，存在一个 . 表示当前目录，即该目录名下面的.目录与inode的映射关系。
目录文件下都会存在 .. 表示上级目录，表示该目录的上级目录文件与该目录下的 .. 的inode建立映射关系。

在该目录下每多创建一个目录，都会多一个 .. 文件，也就会多一个硬链接数，所以一个目录文件的硬链接数 = 该目录下的目录文件数量 + 2。

【总结】硬链接通常用来进行路径定位，采用硬链接可以进行目录间的切换。

【注意】Linux不允许用户给目录建立硬链接，会在系统中造成环路问题。

补充知识

补充1：磁盘与物理内存之间的交互

补充2：操作系统如何管理内存？

操作系统不仅仅能够看到虚拟进程空间，也是能看到内存的物理地址的。操作系统在管理内存时先描述，再组织。

struct page
{
    // page页必要的属性信息
}

struct page mem_array[1048576];

通过设置结构体的方式，对内存的管理变成了对数组的管理，且数组是存在下标的，则物理内存也就有了页号的概念，找到4kb对于的page，就可以在系统中找到对应的物理页框。在系统中，所有申请内存的动作，都是在访问page数组。

补充3：Linux中，每一个进程打开每一个文件都要有自己的inode属性和自己的文件页缓冲区