全面解析文件文件系统

Posted 2020-08-17

前言：

文件系统作为linux总最基础的但愿。理解并深入了解文件系统对linux的学习有重要意义。我们从文件系统创建，构成以及工作流程几个方面全方位的介绍文件系统的相关概念。

简述：

一块完整的磁盘经过分区后我们就可以通过格式化，根据我们的需求构建文件系统能使用的文件系统格式。传统的文档系统中，一个分区就只能够被格式化为一个文件系统。所以我们可以说一个文件系统就是一个分区。但因为新技术的引用，我们在格式化时已经不再说是针对分区格式化了，通常我们可以把一个可被挂载的资料称为一个文件系统。

文件系统内的文件除了文件本身的内容外，通常会包含许多与文件本身内容无关的属性，例如文件的权限，时间参数，属主等。我们把这种文件自身的属性称作元数据(metadata),把文件内容称为数据（data）.文件系统将这两部分数据分别存放在不同的区域，文件属性放置到inode(引用节点)中，实际数据则放置在data block区域中。另外还有一个超级区块（superblock）会记录整个档案系统的整体信息，包括inode与block的总量，使用量和剩余量等。

磁盘的基本单位是扇区，每个扇区的大小为512个字节，如果文件系统以扇区为基本存储单位，再给每个扇区进行编号，那么光是扇区的编号就占了好大的存储空间，所以文件系统是block为最小存储单位的，一个block典型的大小是1024字节或者4096字节，在磁盘格式化就得设置好，并且之后不可修改。一个block最多只能放置一个文件，即使这个文件只有1个字节。

Inode和block都是有编号的。每个文件占用一个inode，inode所存放的元数据包含文件数据放置的block号码。因为，如果能找到inode的话，那么自然就会知道这个档案所放置资料的block号码。当然也就能读出该文件的实际数据了。

我们将inode与block区块用图解来说明下，如下图所示，文件系统先格式化出inode与block的区域，假设某一文件的元数据放置在inode4号的位置，而这个inode记录了文件数据实际存放在2，7，13，15这四个block号码所对应的block中，这样我们的文件系统就能一次把4个block中的内容读取出来。这种资料存取的方法我们称为索引式文档系统(indexed allocation)

详细描述：

通过前面的简述，我们已经大概了解到linux文件系统相关的概念：inode，block，superblock。文件系统一开始就将inode和block规划好了，除非从新格式化（或者利用resize2fs等指令变更文件系统大小），否则inode与block固定后就不变动。为管理的方便，inode与block并没有被放在一起。而是文件系统在格式化的时候基本就划分为多个区块群组（block group）的，并且每个区块群组都有自己独立的inode/block/superblock系统。Linux文件系统格式化后有点像下面这样：

每个区块内容说明如下：

• Data block

Data block是用来存放文件数据的地方。在linux文件系统中block的大小有1K,2K以及4K三种。在格式化时block的大小就固定了，且每个block都有编号，以方便inode的记录。

• Inode table(inode 表格)

Inode主要保存以下文件的元数据：

         文件类型，权限，UID,GID

         链接数（即硬链接数）

         该文件的大小和不同的时间戳

         指向磁盘上文件的数据块指针

         定义文件特性的标记，如SetUID..

每个inode的大小固定为128 bytes（新的ext4与xfs可设定到256bytes），每个文件都只占有一个inode。一个block的大小就几k，而一个文件却大的多，而inode记录一条block号码就要花掉4字节，那我们有如何用128字节的inode去记录成千上万的block号码的记录呢？为此我们的系统很聪明的将inode记录block号码的区域定义为12个直接，一个间接，一个双重间接，一个三重间接。这是什么呢？我们把Inode的结构画出来：

  上图左边为inode本身(128字节)，里面有12个直接指向block号码的对照，这12个记录都能直接取得block号码。之后所谓的简介就是拿一个block来当作记录block号码的记录器，如果文件太大就会使用简介的block来记录号码。同理，如果，文件持续长大，那么就会利用所谓的双间接，第一个block仅再指出下一个记录号码的block在哪里，实际记录的在第二个block当中。以此类推，三简介就是利用第三层block来记录号码。

• Superblock(超级区块)

Superblock是记录整个文件系统相关信息的地方，没有superblock，就没有整个文件系统了，其中的信息主要包含：block和inode的总量，未使用的数量，block和inode的大小，文件系统的各种时间，以及文件系统被挂载与否的状态标识。

一个文件系统中仅有一个superblock，除了第一个block group内含有碎片而block之外，后续的block group不一定含有superblock，即使有，也仅仅是作为第一个block group内surperblock的备份而已。

• Filesystem Description（文件系统描述说明）

这个区段可以描述每个block group的开始与结束的block号码，以及说明每个区段(superblock,bitmap,inodemap,data block)分别介于哪两个block号码之间。

• Block bitmap（区块对照表）和inode bitmap（inode对照表）

分别用来记录使用和未使用的block号码和inode号码。当我们使用或者释放block或inode时就可以通过这个两个对照表进行查看。

目录

linux文件中有一个特殊的文件就是目录文件，首先，不要被windows中文件夹的说法而扰乱。目录文件的内容就是一张目录下所有文件的文件名与inode号码的对照表。

当我们打开一个目录下名为 文件1的文件时，系统通过目录的对照表找到文件的inode号，通过inode号获取inode信息，最后根据Inode信息找到文件数据所在的区域，读出数据。所以目录并不是一个盒子把文件都装在里面，而是一个文件的清单，然后通过这个清单找到文件。

总结：

   关于文件系统的基本概念就先讲到这里，而之后文件的权限，又是一大块内容，得分单独博客进行说明。文件系统做为linux的基础，理解其各个基础概念是学习linux所必须的基础。

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