【Linux】理解文件系统

?1. 了解磁盘

  磁盘是一种用于存储数据的媒介。具体来说，磁盘是由一个或多个圆盘组成的，每个圆盘都包含一个或多个磁性表面。通过将数据以磁性方式写入磁盘表面，可以将数据存储在其中。

  磁盘通常被用作计算机系统的主要存储介质，用于存储操作系统、应用程序和用户数据。磁盘提供了比内存更大的存储容量，因此可以存储更多的数据。

✨磁盘物理结构

  磁盘的工作原理是通过读/写头在磁盘表面上读取/写入数据。读/写头会在磁盘上的特定位置上产生磁场，以读取或写入数据。数据的读取和写入速度取决于磁盘的转速、读/写头的定位速度和磁盘的接口速度，如下图所示：

✨磁盘存储结构首先磁盘有多个盘片，每片有两面，每面都有一个磁头进行写入/读取数据：

其次每个盘片上都会根据半径划分为多个磁道，每个磁道都会被划分成一个个的扇区，方便管理：

扇区是磁盘存储数据的基本单位，一个扇区对应的大小一般是512字节。

我们可以通过sudo fdisk -l /dev/vda命令来查看磁盘中扇区的个数：

所以可以通过定位一个扇区来在磁盘指定位置进行读写操作。如图所示：

磁盘容量 = 磁头数*磁道数*每道扇区数*每个扇区的字节

✨CHS地址定位

 如何定位一个扇区？

先定位磁道也就是确定在哪一个柱面(柱面是由半径相同的磁道组成的)（Cylinder）再确定磁面，由磁头决定（Head）最后定位扇区（Sector）✨LBA地址定位

  LBA是一种用于描述磁盘上数据位置的线性格式，它通过一个简单的数字来表示柱面、磁头和扇区的组合。LBA地址是从磁盘的起始位置开始计算，并且相对于物理结构更加简单和直观。

例如我们常见的磁带：

那么对于磁盘上的扇区，我们也可以抽象成线性结构：

这样每个扇区就有了一个线性地址（其实就是数组下标），这种地址就叫做LBA(Logical Block Addressing)。

LBA地址计算方式:

CHS转换LBA：

LBA = 柱面号C*单个柱面总扇区数 + 磁道号 H*每磁道扇区数 + 扇区号S -1

LBA转换CHS：

柱面号C = LBA // 单个柱面扇区总数

磁道号H = (LBA \% 单个柱面扇区总数) // 每磁道扇区数

扇区号S = (LBA \% 每磁道扇区数) + 1

相比于CHS地址，LBA地址具有以下优势：

简单和直观：LBA地址是一个连续的线性数字，更易于理解和计算。更高的容量：由于磁盘容量的不断增加，传统的chs地址已经无法满足需要，而LBA地址可以支持更大的磁盘容量。兼容性：由于现代操作系统和硬件广泛支持LBA地址，它更适合与各种系统和设备进行兼容。

所以磁盘使用者就可以不用关心CHS地址，而直接使用LBA地址，让磁盘内部自己转换。

?2. 文件系统

  在操作系统与磁盘之间进行IO交换时，以扇区为基本单位，512字节，但是单次IO的数据量有些少，所以通常一次IO会加载4KB的数据块，也就是8个扇区的大小，所以磁盘就可以抽象为以块为单位的一维数组：

✨磁盘管理分区 对于几百GB的磁盘，为了进行有效的管理和维护，提高稳定性，我们通常会对磁盘进行分区管理：将物理磁盘划分为一个或多个逻辑分区，每个分区可以独立使用，并可以有不同的文件系统。分组 仅仅依靠分区，还不能很好的管理磁盘，所以需要在此基础上进行分组，这样只要管理好一个组，其他组就可以依照该组进行管理，这样整个区就管理好了。

Super Block(超级块)： 存放文件系统本身的结构信息。GDT，Group Descriptor Table (块组描述符) : 描述块组属性信息Block Bitmap（块位图) : Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用inode Bitmap（inode位图) : 每个bit表示一个inode是否空闲可用inode Table (i节点表) : 存放文件属性 如 文件大小，所有者，最近修改时间等Data blocks(数据区) : 存放文件内容✨inode

  inode是描述文件属性(注意inode里面不包含文件名信息)的结构体，每个文件和目录在文件系统中都有一个唯一的inode号码，用于标识和索引文件：

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

我们可以通过命令ls -l -i来查看文件的inode编号：

inode编号个数以及block个数在磁盘初始化时就已经固定了：

一个分区拥有一套inodeinode分配只需确定起始inode即可

如下图所示：

struct inode中保存了与该文件数据块之间的映射关系，所以我们仅需知道文件的inode值，在inode Table 中找到对应的属性集，然后根据属性集里inode与data blocks之间的映射表，就可以找到相应文件的内容啦：

struct inode 与 Data block之间映射：

  当文件被创建时，文件系统会为该文件分配一个或多个数据块，并将这些数据块的编号存储在文件的inode中。这样，当需要读取或写入文件时，文件系统可以通过inode中存储的数据块编号找到相应的数据块。这种映射关系可以通过直接映射、间接映射和多级间接映射等方式来实现。

直接映射（Direct Mapping）：文件的每个数据块的编号直接存储在inode中。这种方式适用于小文件，但对于大文件来说，inode的大小会变得很大，占用额外的存储空间。 间接映射（Indirect Mapping）：文件的inode中存储一个指向间接块（indirect block）的指针。间接块中存储了多个数据块的编号。这种方式可以节省inode的空间，但需要额外的访问间接块来获取数据块的编号。 多级间接映射（Multilevel Indirect Mapping）：类似于间接映射，但是可以使用多级索引来进一步减少inode的大小。比如，一级间接块中存储了多个二级间接块的指针，二级间接块中存储了多个三级间接块的指针，以此类推。

✨重新理解新建文件与删除文件

新建文件在inode Bitmap中查找未被使用的位置，例如找到了第7个比特位没被使用，那么就将其分配给新建的文件作为inode值，再将该比特位由0置1找到位图对应的inode Table中第7个位置，将新建文件的属性信息填到表中该位置的struct inode中，属性信息包括inode编号，创建时间，所属组，拥有者等然后根据新建文件的内容，比如写入一个hello world!,根据内容分配一定大小的空间，然后在Block Bitmap中找到未被使用的块，将其由0置1，表明该位置从现在开始已经被占用；然后根据位图找到与之对应的Data blocks数据块写入hello world!在struct inode中建立与数据块之间的映射关系删除文件

  只需通过文件inode编号找到对应的inode Bitmap和Block Bitmap中相应位置由1置为0，表明该位置已经没有数据即可。

✨为什么文件名不在struct inode属性信息中保存？

  文件名保存在目录中，目录也是一个文件，也有自己的inode编号，该文件的数据块中保存的就是该目录下创建的文件名与inode编号之间的映射关系，所以目录也能打开，内容如图所示：

✨struct dentry

  有了目录中保存文件的inode以及文件名之后，我们要想打开一个文件比如test.c就必须先找到保存该文件inode的目录，然后根据inode编号去磁盘中寻找，但是目录也是一个文件，要想打开该目录必须得找到保存该目录inode编号的目录，以此类推一直找到根目录，而根目录的inode编号是固定的，所以我们就可以根据根目录的内容再往下一层一层找到test.c文件的inode编号。   当还需要打开同一级目录下的另一个文件时，如果还需要这样一层一层的路径解析，未免太过浪费时间，空间，所以linux系统通过struct dentry内核数据结构对路径结构进行缓存，这样就不需要一直与磁盘进行IO交互了

struct dentry的主要成员包括：

d_inode：指向该目录项对应的inode的指针。inode是文件系统中一个文件的元数据结构，包含了文件的权限、大小、创建时间等信息。 d_parent：指向该目录项的父目录的dentry的指针。通过d_parent可以获取到该目录项所在的目录。 d_name：目录项的名称，以struct qstr的形式表示。struct qstr包含了目录项名称的字符串指针和长度信息。

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