Linux学习之文件系统详解

Posted 2020-09-17

本文和大家分享的主要是 linux文件系统 相关内容，一起来看看吧，希望对大家学习使用这部分内容有所帮助。 
 1 、 linux 文件系统分配策略： 
块分配 (blockallocation) 和扩展分配 (extentallocation) ： 
块分配：磁盘上的文件块根据需要分配给文件，避免了存储空间的浪费。但当文件扩充时，会造成文件中文件块的不连续，从而导致过多的磁盘寻道时间。 
每一次文件扩展时，块分配算法就需要写入文件块的结构信息，也就是 meta-dada 。 meta-data 总是与文件一起写入存储设备，改变文件的操作要等到所有 meta-data 的操作都完成后才能进行，因此， meta-data 的操作会明显降低整个文件系统的性能。 
扩展分配：文件创建时，一次性分配一连串连续的块，当文件扩展时，也一次分配很多块。 meta-data在文件创建时写入，当文件大小没有超过所有已分配文件块大小时，就不用写入 meta-data ，直到需要再分配文件块的时候。 
扩展分配采用成组分配块的方式，减少了 SCSI 设备写数据的时间，在读取顺序文件时具有良好的性能，但随机读取文件时，就和块分配类似了。 
文件块的组或块簇 (blockcluster) 的大小是在编译时确定的。簇的大小对文件系统的性能有很大的影响。 
注： meta-data 元信息：和文件有关的信息，比如权限、所有者以及创建、访问或更改时间等。 
 2 、文件的记录形式 
 linux 文家系统使用索引节点 (inode) 来记录文件信息。索引节点是一种数据结构，它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。 
一个文件系统维护了一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一的元素对应。每个索引节点在数组中的索引号，称为索引节点号。 
 linux 文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中，所以，目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表，目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。 
对于一个文件来说，有一个索引节点号与之对应；而对于一个索引节点号，却可以对应多个文件名。 
连接分为软连接和硬连接，其中软连接又叫符号连接。 
硬连接：原文件名和连接文件名都指向相同的物理地址。目录不能有硬连接；硬连接不能跨文件系统 (不能跨越不同的分区 ) ，文件在磁盘中只有一个拷贝。 
由于删除文件要在同一个索引节点属于唯一的连接时才能成功，因此硬连接可以防止不必要的误删除。
软连接：用 ln-s 命令建立文件的符号连接。符号连接是 linux 特殊文件的一种，作为一个文件，它的数据是它所连接的文件的路径名。没有防止误删除的功能。 
 3 、 linux 文件系统分类： 
 ext2 ：早期 linux 中常用的文件系统 
 ext3 ： ext2 的升级版，带日志功能 
 RAMFS ：内存文件系统，速度很快 
 NFS ：网络文件系统，由 SUN 发明，主要用于远程文件共享 
 MS-DOS ： MS-DOS 文件系统 
 VFAT ： Windows95/98 操作系统采用的文件系统 
 FAT ： WindowsXP 操作系统采用的文件系统 
 NTFS ： WindowsNT/XP 操作系统采用的文件系统 
 HPFS ： OS/2 操作系统采用的文件系统 
 PROC: 虚拟的进程文件系统 
 ISO9660 ：大部分光盘所采用的文件系统 
 ufsSun:OS 所采用的文件系统 
 NCPFS ： Novell 服务器所采用的文件系统 
 SMBFS ： Samba 的共享文件系统 
 XFS ：由 SGI 开发的先进的日志文件系统，支持超大容量文件 
 JFS ： IBM 的 AIX 使用的日志文件系统 
 ReiserFS: 基于平衡树结构的文件系统 
 udf: 可擦写的数据光盘文件系统 
 4 、虚拟文件系统 VFS 
 linux 支持的所有文件系统称为逻辑文件系统，而 linux 在传统的逻辑文件系统的基础上增加料一个蓄念文件系统 (VitualFileSystem,VFS) 的接口层。虚拟文件系统 (VFS) 位于文件系统的最上层，管理各种逻辑文件系统，并可以屏蔽各种逻辑文件系统之间的差异，提供统一文件和设备的访问接口。 
 5 、文件的逻辑结构 
文件的逻辑结构可分为两大类：字节流式的无结构文件和记录式的有结构文件。 
由字节流（字节序列）组成的文件是一种无结构文件或流式文件，不考虑文件内部的逻辑结构，只是简单地看作是一系列字节的序列，便于在文件的任意位置添加内容。 
由记录组成的文件称为记录式文件，记录是这种文件类型的基本信息单位，记录式文件通用于信息管理。 
 6 、文件类型 
普通文件：通常是流式文件 
目录文件：用于表示和管理系统中的全部文件 
连接文件：用于不同目录下文件的共享 
设备文件：包括块设备文件和字符设备文件，块设备文件表示磁盘文件、光盘等，字符设备文件按照字符操作终端、键盘等设备。 
管道 (FIFO) 文件 : 提供进程建通信的一种方式 
套接字 (socket) 文件：该文件类型与网络通信有关 
 7 、文件结构： 
包括索引节点和数据 
索引节点：又称 I 节点，在文件系统结构中，包含有关相应文件的信息的一个记录，这些信息包括文件权限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系统中所有文件的索引节点保存在索引节点表中。
数据：文件的实际内容。可以是空的，也可以非常大，并且拥有自己的结构。 
 8 、 ext2 文件系统 
 ext2 文件系统的数据块大小一般为 1024B 、 2048B 或 4096B 
 ext2 文件系统采用的索引节点 (inode) ：索引节点采用了多重索引结构，主要体现在直接指针和 3 个间接指针。直接指针包含 12 个直接指针块，它们直接指向包含文件数据的数据块，紧接在后面的 3 个间接指针是为了适应文件的大小变化而设计的。 
 e.g ：假设数据块大小为 1024B ，利用 12 个直接指针，可以保存最大为 12KB 的文件，当文件超过12KB 时，则要利用单级间接指针，该指针指向的数据块保存有一组数据块指针，这些指针依次指向包含有实际数据的数据块，假如每个指针占用 4B ，则每个单级指针数据块可保存 1024/4 ＝ 256 个数据指针，因此利用直接指针和单级间接指针可保存 1024*12 ＋ 1024*256 ＝ 268KB 的文件。 
当文件超过 268KB 时，再利用二级间接指针，直到使用三级间接指针。利用直接指针、单级间接指针、二级间接指针、三级间接指针可保存的最大文件大小为：1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256 ＝ 16843020KB ，约 16GB ，若数据块大小为2048B ，指针占 4B ，则最大文件大小为： 2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512 ＝268,960,792KB 约 268GB 
若数据块大小为 4096B ，指针占 4B ，则最大文件大小为：4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024 ＝ 4,299,165,744KB ，约 4TB 
注：命令 tune2fs-l/dev/sda5 可查看文件系统， ext2 文件系统最大文件名长度： 255 个字符 
 ext2 文件系统的缺点： 
 ext2 在写入文件内容的同时并没有同时写入文件 meta-data ，其工作顺序是先写入文件的内容，然后等空闲时候才写入文件的 meta-data 。若发生意外，则文件系统就会处于不一致状态。在重新启动系统的时候， linux 会启动 fsk(filesystemcheck) 的程序，扫描整个文件系统并试图修复，但不提供保证。 
 9 、 ext3 文件系统： 
 ext3 基于 ext2 的代码，所以磁盘格式与 ext2 相同，使用相同的元数据。 
 ext2 文件系统无损转化为 ext3 文件系统： tune2fs-j/dev/sda6 
日志块设备 (Journalingblockdevicelayer,JBD) 完成 ext3 文件系统日志功能。 JBD 不是 ext3 文件系统所特有的，它的设计目标是为了向一个块设备添加日志功能。当一个文件修改执行时， ext3 文件系统代码将通知 JBD ，称为一个事务 (transaction) 。发生意外时，日志功能具有的重放功能，能重新执行中断的事务。 
日志中的 3 种数据模式： 
 1)data=writeback ：不处理任何形式的日志数据，给用户整体上的最高性能 
 2)data=odered ：只记录元数据日志，但将元数据和数据组成一个单元称为事务 (transaction) 。此模式保持所句句的可靠性与文件系统的一致性，性能远低于 data=writeback 模式，但比 data=journal 模式快 
 3)data=journal ：提供完整的数据及元数据日志，所有新数据首先被写入日志，然后才被定位。意外发生过后，日志可以被重放，将数据与元数据带回一致状态。这种模式整体性能最慢，但数据需要从磁盘读取和写入磁盘时却是 3 种模式中最快的。 
 ext3 文件系统最大文件名长度： 255 个字符 
 ext3 文件系统的优点：可用性、数据完整性、速度、兼容性 
 10 、 ReiserFS 文件系统 
 ReiserFS 文件系统是由 HansReiser 和他领导的开发小组共同开发的，整个文件系统完全是从头设计的，是一个非常优秀的文件系统。也是最早用于 Linux 的日志文件系统之一。 
 ReiserFS 的特点：先进的日志机制 
 ReiserFS 有先进的日志 (Journaling/logging) 功能机制。日志机制保证了在每个实际数据修改之前，相应的日志已经写入硬盘。文件与数据的安全性有了很大提高。 
高效的磁盘空间利用 
 Reiserfs 对一些小文件不分配 inode 。而是将这些文件打包，存放在同一个磁盘分块中。而其它文件系统则为每个小文件分别放置到一个磁盘分块中。 
独特的搜寻方式。 
 ReiserFS 基于快速平衡树 (balancedtree) 搜索，平衡树在性能上非常卓越，这是一种非常高效的算法。 ReiserFS 搜索大量文件时，搜索速度要比 ext2 快得多。 Reiserfs 文件系统使用 B*Tree 存储文件，而其它文件系统使用 B+Tree 树。 B*Tree 查询速度比 B+Tree 要快很多。 Reiserfs 在文件定位上速度非常快。在实际运用中， ReiserFS 在处理小于 4k 的文件时，比 ext2 快 5 倍；带尾文件压缩功能（默认）的ReiserFS 比 ext2 文件系统多存储 6% 的数据。 
支持海量磁盘 
 ReiserFS 是一个非常优秀的文件系统，一直被用在高端 UNIX 系统上，可轻松管理上百 G 的文件系统， ReiserFS 文件系统最大支持的文件系统尺寸为 16TB 。这非常适合企业级应用中。 
 linux 文件系统分类优异的性能：由于它的高效存储和快速小文件 I/O 特点，使用 ReiserFs 文件系统的PC ，在启动 X 窗口系统时，所花的时间要比在同一台机器上使用 ext2 文件系统少 1/3 。另外， ReiserFS文件系统支持单个文件尺寸为 4G 的文件，这为大型数据库系统在 linux 上的应用提供了更好的选择。 

来源：运维部落