嵌入式之FHS（Filesystem Hierarchy Standard）

一、形象比喻：把 Linux 文件系统比作「大型商场」

想象你走进一家超级豪华的 「Linux 百货商场」，整个商场的结构被一套严格的《商场管理手册》（即 FHS 标准）规划得井井有条。每个楼层、每个区域都有明确的功能定位，绝不允许商家乱摆乱放。通过这个比喻，你可以轻松记住 FHS 的核心逻辑：

1. 根目录（/）—— 商场总入口

• 类比：整个商场的「地面层入口」，也是你进入商场后看到的第一个大厅。
• 特点：
  • 所有楼层（子目录）都从这里延伸出去，唯一且必须存在。
  • 就像商场入口必须有指示牌（如楼层导览图），根目录下存放着系统最关键的「引导文件」和「管理工具」。
  • 禁止行为：不能随意在入口大厅堆满货物（根目录不存放用户个人文件）。

2. /bin & /sbin—— 商场一楼的「常用服务区」

• /bin（Binary）—— 普通用户服务区

  • 类比：商场一楼的「便利店、提款机、洗手间」，存放所有用户都需要的基础工具（如ls查看文件、cp复制文件）。
  • 特点：无论你是顾客（普通用户）还是员工（管理员），都需要用到这里的工具，系统启动时必须可用。

• /sbin（System Binary）—— 管理员专属服务区

  • 类比：商场一楼的「安全监控室、消防设备间」，存放仅限管理员使用的工具（如reboot重启系统、fdisk管理硬盘）。
  • 特点：普通顾客（普通用户）无法进入，涉及系统核心管理功能。

3. /boot—— 商场地下一层的「基建仓库」

• 类比：商场地下一层的「电力设备间、电梯控制中心」，存放系统启动时必需的「硬件配置文件」和「内核文件」（如vmlinuz内核、grub引导程序）。
• 特点：
  • 即使商场其他区域（如上层楼层）还没开放，这里的设备必须先正常运行（系统启动依赖 /boot）。
  • 禁止操作：不能在这里乱改文件，否则商场可能「停电瘫痪」（系统无法启动）。

4. /etc—— 商场八楼的「管理办公室」

• 类比：商场的「物业管理办公室」，存放系统的「配置文件」（如/etc/passwd用户信息、/etc/apt/sources.list软件源列表）。
• 特点：
  • 所有楼层的运营规则（服务配置）都在这里记录，管理员（root）专属区域。
  • 类比场景：如果商场要调整营业时间（修改服务参数），必须来这里改文件，普通顾客不能随便进。

5. /home—— 商场高层的「私人储物柜」

• 类比：商场高层的「会员专属储物柜区」，每个柜子（目录）用用户名字命名（如/home/alice、/home/bob），存放用户的个人文件（文档、照片、下载的电影等）。
• 特点：
  • 顾客（普通用户）只能进入自己的柜子，不能查看别人的（权限隔离）。
  • 即使商场重新装修（系统重装），只要储物柜没被拆（/home 分区独立），个人物品就不会丢失。

6. /usr—— 商场的「大型购物区」

• 类比：商场的「2-5 楼购物区」，分为多个主题区域：
  • /usr/bin：普通用户的「高端商店」，存放非系统必需的工具（如浏览器、编程软件）。
  • /usr/sbin：管理员的「专业设备店」，存放非核心管理工具（如nginx服务器、postfix邮件服务）。
  • /usr/share：「公共展示区」，存放共享资源（如图标、帮助文档、字体）。
• 特点：
  • 这些区域的东西（软件）可以在商场营业期间（系统运行时）随时增减（安装 / 卸载软件）。
  • 类比场景：商场可能定期引进新品牌（安装新软件），或撤掉旧柜台（卸载软件），不影响商场基本运营（系统核心功能）。

7. /var—— 商场的「动态仓库」

• 类比：商场的「物流中心」，存放随时可能变化的数据：
  • /var/log：「监控记录室」，存放系统日志（如用户登录记录、服务错误日志）。
  • /var/mail：「收发室」，存放用户邮件。
  • /var/tmp：「临时寄存处」，存放程序运行时的临时文件。
• 特点：
  • 就像物流中心每天都有货车进出（数据不断写入 / 删除），这里的文件会随着系统使用而「变大或变小」。
  • 重要提示：如果物流中心爆仓（/var 分区满了），商场可能会罢工（系统卡顿或服务崩溃）。

8. /dev—— 商场的「设备间」

• 类比：商场的「通风管道、电梯井、电线管道」，用文件形式表示硬件设备（如硬盘/dev/sda、键盘/dev/input）。
• 特点：
  • 普通顾客看不到这些管道，但商场的正常运转离不开它们（系统通过/dev访问硬件）。
  • 类比场景：你按电梯按钮（操作硬件），信号会通过管道（/dev文件）传给电梯控制系统（驱动程序）。

9. /mnt & /media—— 商场的「临时摊位」

• 类比：商场门口的「促销临时摊位」，用于临时挂载外部设备（如 U 盘、移动硬盘）。
• 特点：
  • 摊位（目录）平时是空的，只有当你插入 U 盘（外接设备）时，商场会自动把 U 盘内容「摆到摊位上」（挂载到/mnt或/media）。
  • 类比场景：促销结束后（拔出 U 盘），摊位会被清空，恢复原样。

二、专业深度解析：FHS（Filesystem Hierarchy Standard）

1. FHS 是什么？——Linux 的「城市规划法」

定义：
FHS 是由Linux 基金会与 ** 自由软件基金会（FSF）** 共同制定的「文件系统层级标准」，旨在规范 Linux 系统中文件和目录的组织架构。
核心目标：

• 让不同发行版（如 Ubuntu、CentOS、Arch Linux）的文件系统结构保持一致，方便用户迁移和软件兼容。
• 明确「哪些文件必须放在哪里」，避免混乱（类似城市规划中「住宅区、商业区、工业区必须分区」）。
  历史背景：
  早期 Linux 发行版（如 Slackware）的文件系统结构混乱，不同版本的同一软件可能安装在不同路径（如有的放在/usr/local，有的放在/opt）。FHS 于 1994 年首次发布，经过多次修订（当前最新版本为 2015 年的 FHS 3.0），成为 Linux 系统的「通用语言」。

2. FHS 的核心原则 ——「分层隔离」与「动静分离」

FHS 将文件系统分为两类：

• 静态文件：安装后基本不变的文件（如系统工具、软件程序），存放在/usr、/bin、/sbin等目录。
• 动态文件：运行时会变化的文件（如日志、用户数据、临时文件），存放在/var、/tmp、/home等目录。
  分层隔离的好处：
• 方便系统维护：重装系统时，只需格式化静态文件所在分区，用户数据（如/home）可保留。
• 提升安全性：普通用户无法随意修改系统核心文件（如/etc下的配置），降低误操作风险。
• 支持分区独立：例如将/home、/var单独挂载到不同硬盘，避免某个分区爆满影响整个系统。

3. FHS 目录结构详解 —— 从根目录出发的「楼层地图」

以下是 FHS 规定的必选目录及其功能（带★为核心目录）：

3.1 根目录（/）——「商场总入口」

• 地位：所有目录的起点，唯一且必须存在。
• 包含内容：
  • ★ /bin：存放所有用户（包括 root）必需的基础命令（如ls、cat、mkdir）。
  • ★ /sbin：存放系统管理命令（如init、shutdown、ip），仅限 root 使用。
  • ★ /etc：存放系统全局配置文件（如网络配置/etc/network/interfaces、用户权限/etc/sudoers）。
  • ★ /boot：存放系统启动文件（内核、引导程序 GRUB/Linux Loader）。
  • /dev：设备文件（如硬盘/dev/sda、光驱/dev/cdrom）。
  • /lib：存放系统核心库文件（如 C 语言运行库libc.so），供/bin和/sbin中的程序调用。
  • /media：自动挂载点，用于临时存放外接设备（如 U 盘、SD 卡）。
  • /mnt：手动挂载点，管理员可临时挂载文件系统（如mount /dev/sdb1 /mnt/external）。
  • /opt：可选目录，用于存放第三方软件（如 Oracle 数据库、Docker），非必须。
  • /root：管理员（root）的家目录，普通用户无权访问。
  • /run：存放系统运行时的临时数据（如进程 ID 文件、网络接口状态），系统重启后清空。
  • /srv：存放服务数据（如 Web 服务器的网页文件/srv/www、FTP 服务器的文件/srv/ftp）。
  • /tmp：全局临时文件目录，所有用户可读写，系统定期清理（如重启时清空）。
• 注意：根目录下的文件禁止用户随意创建或删除，以免破坏系统结构。

3.2 /home——「用户私人储物柜区」

• 功能：普通用户的家目录，每个用户有一个独立子目录（如用户alice的家目录为/home/alice）。
• 结构：
  • /.config：存放用户应用程序配置文件（如浏览器书签、办公软件设置）。
  • /.cache：存放应用程序缓存数据（如浏览器缓存、编译临时文件）。
  • /.local：存放用户本地安装的软件和数据（替代传统的/usr/local，更符合 FHS 规范）。
• 特点：
  • 用户对自己的家目录有完全控制权（可读、写、执行）。
  • 多用户系统中，用户无法访问其他用户的家目录（权限隔离）。
  • 最佳实践：安装系统时建议将/home单独分区，这样重装系统时可保留用户数据。

3.3 /usr——「系统软件共享区」

• 功能：存放非系统必需的软件和资源（即系统启动后才需要的文件），类似 Windows 的Program Files目录。
• 结构：
  • ★ /usr/bin：普通用户可用的应用程序（如firefox、git、python）。
  • ★ /usr/sbin：管理员专用工具（如apache2服务器、postfix邮件服务）。
  • ★ /usr/lib：应用程序的库文件（如 Python 库、Java 类库）。
  • /usr/include：开发头文件（供程序员编译软件时使用）。
  • /usr/share：共享资源（如图标/usr/share/icons、帮助文档/usr/share/man、字体/usr/share/fonts）。
  • /usr/local：本地安装的软件目录（用于手动编译的软件，如make install默认安装路径）。
• 特点：
  • 该目录下的文件在系统启动时不是必需的，因此可以挂载到独立分区（如 SSD）以提升性能。
  • 软件包管理器（如apt、yum）安装的软件通常存放在这里。

3.4 /var——「动态数据中心」

• 功能：存放运行时会变化的数据，类似商场的「物流中心」，数据会不断写入、修改或删除。
• 结构：
  • ★ /var/log：系统日志目录（如/var/log/syslog记录系统事件，/var/log/auth.log记录登录认证日志）。
  • ★ /var/mail：用户邮件存储（如每个用户的邮件文件/var/mail/alice）。
  • ★ /var/tmp：比/tmp更持久的临时文件（某些程序需要跨重启保留临时数据）。
  • /var/lib：存放应用程序的状态数据（如数据库文件/var/lib/mysql、软件缓存/var/lib/apt）。
  • /var/run：存放进程运行时的临时文件（如进程 ID 文件/var/run/sshd.pid表示 SSH 服务进程）。
  • /var/spool：队列数据（如打印队列/var/spool/lpd、邮件队列/var/spool/mail）。
• 注意：
  • 该目录可能会占用大量磁盘空间，建议单独挂载到大容量硬盘。
  • 日志文件可能需要定期清理（使用logrotate工具），避免占满磁盘。

3.5 /proc & /sys——「虚拟文件系统」

• 特点：这两个目录是内存映射的虚拟目录，不占用实际磁盘空间，用于内核与用户空间通信。
• /proc：
  • 类比：商场的「实时监控屏幕」，显示系统运行状态（如进程信息/proc/[pid]、CPU 使用情况/proc/cpuinfo）。
  • 用途：程序员可通过读取/proc下的文件获取系统数据（如cat /proc/meminfo查看内存使用）。
• /sys：
  • 类比：商场的「设备参数面板」，显示硬件设备的详细信息（如/sys/class/net下的网络设备信息）。
  • 用途：管理员可通过修改/sys下的文件调整硬件参数（如echo 1 > /sys/class/leds/heartbeat/brightness控制 LED 灯）。

4. FHS 的挂载点规范 —— 给分区「分配房间」

FHS 不仅规定目录功能，还建议如何将目录挂载到不同存储设备（如硬盘分区、U 盘），以实现「动静分离」和性能优化。
常见挂载建议：

目录	建议挂载方式	原因
/boot	单独分区（如 ext4）	存放启动文件，避免根目录过大影响系统启动
/home	单独分区（如 XFS）	隔离用户数据，重装系统时可保留
/usr	单独分区（如 SSD）	存放静态软件，SSD 提升读取速度
/var	单独分区（如大容量 HDD）	存放动态日志和数据，需要大空间和稳定性
/tmp	内存挂载（tmpfs）	临时文件存放在内存，速度快且系统重启后自动清空
/mnt	临时挂载外接设备（如 U 盘）	非永久挂载，方便插拔

挂载命令示例：

# 将/dev/sdb1分区挂载到/mnt/external目录
mount /dev/sdb1 /mnt/external

# 将U盘（自动识别为/dev/sdc1）挂载到/media/usb目录（系统自动完成）

5. FHS 与文件类型 ——「商场里的不同货物」

在 Linux 中，所有文件（包括目录、硬件设备）都被视为「文件」，FHS 规定了不同类型文件的存放位置：

1. 普通文件：
   • 文本文件：用户数据（/home/user/doc.txt）、配置文件（/etc/nginx/nginx.conf）。
   • 二进制文件：可执行程序（/usr/bin/firefox）、库文件（/usr/lib/libstdc++.so）。
2. 目录文件：用于组织文件的「容器」（如/home、/usr/share）。
3. 设备文件：
   • 块设备：存储设备（如硬盘/dev/sda、U 盘/dev/sdb），以b开头。
   • 字符设备：串口、键盘等流式设备（如/dev/tty、/dev/input/mouse0），以c开头。
4. 符号链接（软链接）：类似商场的「指示箭头」，指向其他文件（如/usr/bin/python3通常是/usr/bin/python3.10的软链接）。
5. 管道文件（FIFO）：用于进程间通信，类似商场的「传菜通道」，存放在/var/run等目录。

6. FHS 的最佳实践 —— 如何遵守标准？

1. 软件安装规范：
   • 使用包管理器（如apt、yum）安装软件，确保文件自动放入/usr/bin、/usr/lib等正确目录。
   • 手动编译的软件建议安装到/usr/local（如./configure --prefix=/usr/local/myapp）。
2. 用户数据管理：
   • 所有用户文件存放在/home下的个人目录，避免直接存放在根目录或/usr。
   • 临时文件存放在/tmp或/var/tmp，避免长期占用空间。
3. 系统维护：
   • 定期清理/var/log下的旧日志（使用logrotate）。
   • 避免在/etc下直接修改配置文件，建议先备份（如cp /etc/sudoers /etc/sudoers.bak）。
4. 分区规划：
   • 新安装 Linux 时，至少创建/boot、/、/home三个分区。
   • 服务器场景建议单独挂载/var、/usr、/tmp。

7. FHS 与其他标准的对比 —— 为什么 Linux 更统一？

• BSD 系统（如 FreeBSD）：
  • 文件结构类似 FHS，但部分目录命名不同（如 BSD 的管理员工具在/usr/sbin，而 FHS 在/sbin）。
  • 没有强制的「动静分离」原则，/usr和/var可能混合存放数据。
• Windows 系统：
  • 采用盘符分区（C 盘、D 盘），目录结构松散（如程序可安装在任意目录）。
  • 系统文件（如C:\Windows）与用户数据（如C:\Users）未严格隔离，重装系统易丢失数据。
• FHS 的优势：
  • 通过严格的分层规范，确保不同发行版的兼容性，降低学习成本。
  • 动静分离设计提升了系统稳定性和可维护性，尤其适合服务器场景。

8. FHS 的发展与未来 —— 适应新技术的变化

随着 Linux 应用场景的扩展，FHS 也在逐步调整：

• 容器化影响：Docker 等容器技术引入了/var/lib/docker等新目录，FHS 允许在/var/lib下创建子目录。
• 云计算场景：云服务器可能将/home挂载到分布式存储（如 NFS），FHS 支持这种灵活挂载方式。
• 未来趋势：
  • 进一步细化移动设备（如嵌入式 Linux）的目录规范。
  • 兼容新兴文件系统（如 Btrfs、ZFS）的特性，如快照功能可通过/var/snapshots实现。

三、总结：FHS 的核心价值 ——「秩序创造自由」

FHS 就像 Linux 世界的「隐形架构师」，用一套清晰的规则让复杂的文件系统变得井然有序。对于新手而言，记住以下关键点即可掌握 FHS 的精髓：

1. 根目录是唯一入口，所有路径从/开始（如/usr/bin表示「根目录下的 usr 目录中的 bin 目录」）。
2. 静态文件放/usr，动态数据放/var，用户文件放/home，这是最核心的分层逻辑。
3. 系统关键文件在/bin、/sbin、/etc、/boot，普通用户勿随意修改。

通过遵守 FHS 标准，Linux 系统实现了「乱中有序」—— 无论硬件如何变化、软件如何升级，文件的「位置」和「职责」始终清晰可寻。这正是 Linux 能在服务器、桌面、嵌入式等多领域广泛应用的重要基础。