Linux磁盘及文件系统Linux文件系统

Posted 2020-09-22 请叫我小小兽

一、文件系统的组成

　　Linux常见的文件系统类型有ReiserFS,ext2,ext3,ext4,vfat,XFS等，文件系统是对一个存储设备上数据和元数据进行组织的机制。他的最终目的是把大量数据有组织的放入持久性的存储设备中，比如硬盘和磁盘。文件系统就是文件在逻辑上组织形式，他以一种更加清晰的方式来存放各个文件。数据被存放到某个分区中。一个典型的Linux分区包含有以下各个部分：

　　

　　boot block:任何分区的第一个块，存放系统的引导程序。

　　super block(超级块)：保存整个分区的全局信息：1.有多少个块组 2.每个块组包含多少个块 3.块大小 4.空闲磁盘块，已用磁盘块 5.空闲inode，已用inode.

　　元数据：存放的是inode

　　inode：每个文件的标识，inode包含inode号，权限，属主属组，时间戳，文件大小等。inodes 是实现文件存储的关键。在 Linux 中，文件系统中管理的每个对象（文件或目录）表示为一个 inode。inode 包含管理文件系统中的对象所需的所有元数据（包括可以在对象上执行的操作）。在 Linux 系统中，一个文件可以分成几个数据块存储在分区内。为了搜集各数据块，我们需要该文件对应的inode。每个文件对应一个 inode。这个 inode 中包含多个指针，指向属于该文件各个数据块。当操作系统需要读取文件时，只需要找到对应 inode，收集分散的数据块，就可以收获我们的文件了。注意：元数据和inode并不是一一对应的，当磁盘存放的是大文件，inode可以按照比例设定，较少。要是磁盘存放的是零碎的小文件，inode的个数必须要足够

　　数据区：将文件划分为block，称为磁盘块。（逻辑块，大小为2的n次方字节，一般来讲只能是1024,2048,4096）.存放的是通常是两类文件，分别为普通文件和目录文件，一个磁盘可以属于多个文件（硬链接），一个文件可以有不同的路径（软链接）。文件的内容不同不能存放在同一块磁盘上。

　　内存中的空间划分为页块，叶匡大小通常为4K(对不同的CPU是不同的）注意：磁盘占有空间和文件实际大小

　　

　　ext2与ext3的不同：ext3是日志文件系统。日志是磁盘分区第三个独立区域（数据区，元数据区）。把inode创建在日志区，而不是元数据区。创建好inode后存数据，如果数据存储到一半断电了，只需要检查日志区。因为那些没来得及保存的数据包括正在修改的文件，把他的inode挪到了日志区，所以只要检查日志区，修复这些inode即可。如果没有断电，只需要将这些数据放回元数据区即可。坏处就是需要多一次IO操作。ext2用于对文件完整性要求不高的文件。

二、inode读取文件

　　inode读取文件的过程如下：　　　

　　　　1.根目录文件的 inode：2，用于找到 var 的 inode id

　　　　2.var 目录文件的 inode：10747905，用于找到 test.txt 的 inode id

　　　　3.text.txt 文件的 inode： 10749034，用于找到 data blocks

　　

　　因此，当我们读取一个文件时，实际上是在目录中找到了这个文件的inode编号，然后根据inode的指针，把数据块组合起来，放入内存供进一步的处理。当我们创建一个文件时，是分配一个空白 inode 给该文件，将其 inode 编号记入该文件所属的目录，然后选取空白的数据块，让 inode 的指针指向这些数据块，并放入内存中的数据。

三、文件系统的结构

　　

　　　　用户空间包含一些应用程序（例如，文件系统的使用者）和 GNU C 库（glibc），它们为文件系统调用（打开、读取、写和关闭）提供用户接口。系统调用接口的作用就像是交换器，它将系统调用从用户空间发送到内核空间中的适当端点。

　　　　VFS 是底层文件系统的主要接口，它是 Linux 内核中的一个软件抽象层。。这个组件导出一组接口，然后将它们抽象到各个文件系统，各个文件系统的行为可能差异很大。有两个针对文件系统对象的缓存（inode 和 dentry）。它们缓存最近使用过的文件系统对象。因为有 VFS 存在，Linux 允许众多不同的文件系统共存，并支持跨文件系统的文件操作。它通过一些数据结构及其方法向实际的文件系统如 ext2，vfat 提供接口机制。

　　　　每个文件系统实现（比如 ext2、JFS 等等）导出一组通用接口，供 VFS 使用。缓冲区缓存会缓存文件系统和相关块设备之间的请求。例如，对底层设备驱动程序的读写请求会通过缓冲区缓存来传递。这就允许在其中缓存请求，减少访问物理设备的次数，加快访问速度。可以使用 sync 命令将缓冲区缓存中的请求发送到存储媒体（迫使所有未写的数据发送到设备驱动程序，进而发送到存储设备）

　　　　

 

四、VFS（虚拟文件系统）

　　Linux中允许多种不同的文件系统共存，如ext2,ext3等。通过使用同一套文件IO系统调用即可对Linux中的任意文件进行操作而无需考虑具体所在的具体文件系统格式，即对文件的操作可以跨文件系统而执行。如图所示，我们可以使用 cp 命令从 vfat 文件系统格式的硬盘拷贝数据到 ext3 文件系统格式的硬盘；而这样的操作涉及到两个不同的文件系统。

　　

　　过程：VFS调用 vfat 的读文件方法将 a.txt 的数据读入内存；再将 a.txt 在内存中的数据映射到b.txt对应的内存空间后，VFS调用ext3的写文件方法将b.txt写入磁盘；从而实现了最终的跨文件系统的复制操作。VFS看起来就像一个中间媒介一样，屏蔽了不同文件系统之间的差异，从而可以实现跨文件系统执行命令。