Linux文件系统

文件描述符fd:

文件描述符是一个非负整数。当我们打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核会想进程返回一个文件描述符。

当我们打开文件时，操作系统在内存中要创建相应的数据结构来描述目标文件，即file结构体，来表示已经打开的文件。进程执行open系统调用时必须让进程和文件关联起来。每个进程都有一个*file指针，指向一张表files_struct,这张表包含一个文件指针数组，每个元素都是一个指向打开文件的指针。所以，文件描述符本质上是文件指针数组的下标。只要拿着fd，就可以找到对应的文件。

FILE结构体：

file 结构如下所示：

　　struct file {

　　union {

　　struct list_head fu_list; 文件对象链表指针linux/include/linux/list.h

　　struct rcu_head fu_rcuhead; RCU(Read-Copy Update)是Linux 2.6内核中新的锁机制

　　} f_u;

　　struct path f_path; 包含dentry和mnt两个成员，用于确定文件路径

　　#define f_dentry f_path.dentry f_path的成员之一，当前文件的dentry结构

　　#define f_vfsmnt f_path.mnt 表示当前文件所在文件系统的挂载根目录

　　const struct file_operations *f_op; 与该文件相关联的操作函数

　　atomic_t f_count; 文件的引用计数(有多少进程打开该文件)

　　unsigned int f_flags; 对应于open时指定的flag

　　mode_t f_mode; 读写模式：open的mod_t mode参数

　　off_t f_pos; 该文件在当前进程中的文件偏移量

　　struct fown_struct f_owner; 该结构的作用是通过信号进行I/O时间通知的数据。

　　unsigned int f_uid, f_gid; 文件所有者id，所有者组id

　　struct file_ra_state f_ra; 在linux/include/linux/fs.h中定义，文件预读相关

　　unsigned long f_version;

　　#ifdef CONFIG_SECURITY

　　void *f_security;

　　#endif

　　

　　void *private_data;

　　#ifdef CONFIG_EPOLL

　　

　　struct list_head f_ep_links;

　　spinlock_t f_ep_lock;

　　#endif

　　struct address_space *f_mapping;

　　};

大部分的Linux文件系统规定，一个文件是由目录项，iNode和数据块组成。

• 目录项：包括文件名行尾iNode结点。
• inode：又称文件索引点，包含文件的基本信息以及数据块的指针。
• 数据块：包含文件的具体内容。

iNode

理解iNode，要从文件存储说起。文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做"扇区"（Sector），每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。

操作系统读取硬盘的时候，不会一个扇区一个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"块"（block）。这种由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。"块"的大小，最常见的是4KB，即连续八个 sector“扇区”组成一个 block。

文件都储存在“块”中，那么，要找 一个地方储存的文件的元信息，包括文件的创造者，文件的创造日期，文件的大小

inode包含文件的元信息，具体来说有以下内容：

• 文件的字节数。
• 文件拥有者的User ID。
• 文件的Group ID。
• 文件的读、写、执行权限。
• 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
• 链接数，即有多少文件名指向这个inode。
• 文件数据block的位置。

可以用stat命令来查看文件的iNode信息。

请看文件存储结构示意图：

inode号码

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。

这里值得重复一遍，Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码，例如：

ls -i demo.txt

硬链接和软链接

硬链接

一般情况下，文件名和inode号码是"一一对应"关系，每个inode号码对应一个文件名。但是，Linux系统允许，多个文件名指向同一个inode号码。这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为"硬链接"（hard link）。

ln命令可以创建硬链接，语法为：

ln source_file target_file

运行上面这条命令以后，源文件与目标文件的inode号码相同，都指向同一个inode。inode信息中有一项叫做"链接数"，记录指向该inode的文件名总数，这时就会增加1。反过来，删除一个文件名，就会使得inode节点中的"链接数"减1。当这个值减到0，表明没有文件名指向这个inode，系统就会回收这个inode号码，以及其所对应block区域。

这里顺便说一下目录文件的"链接数"。创建目录时，默认会生成两个目录项："."和".."。前者的inode号码就是当前目录的inode号码，等同于当前目录的"硬链接"；后者的inode号码就是当前目录的父目录的inode号码，等同于父目录的"硬链接"。所以，任何一个目录的"硬链接"总数，总是等于2加上它的子目录总数（含隐藏目录）,这里的2是父目录对其的“硬链接”和当前目录下的".硬链接“。

软链接

除了硬链接以外，还有一种特殊情况。文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动将访问者导向文件B。因此，无论打开哪一个文件，最终读取的都是文件B。这时，文件A就称为文件B的"软链接"（soft link）或者"符号链接（symbolic link）。

这意味着，文件A依赖于文件B而存在，如果删除了文件B，打开文件A就会报错："No such file or directory"。这是软链接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是文件B的inode号码，文件B的inode"链接数"不会因此发生变化。

ln -s命令可以创建软链接，语法为：

ln -s source_file target_file