【Linux】————磁盘与文件系统

一、磁盘的物理结构

磁盘的物理结构如图所示：

其中具体的物理存储结构如下：

磁盘中存储的基本单位为扇区，一个扇区的大小通常为512字节或4KB，我们这里暂且认为是512字节。一般来说，一个扇区都是512字节，同半径所有的扇区构成了一圈磁道。

因此，当我们需要读取指定文件数据时，首先要确定是哪一个盘面，其次再确定是哪一个磁道，最后根据扇区的编号去定位扇区。通过磁头、柱面(磁道)、扇区来定位扇区的方法称为CHS定位法。

一个普通文件包括属性和内容，本质上都是数据，占据一个或多个扇区。我们既然能够用CHS定位任意一个扇区，就能定位任意多个扇区，从而从硬件角度读取或写入文件。

二、磁盘逻辑抽象我们已经知道如果操作系统可以得知CHS的地址，就能够访问任意一个扇区。但是由于操作系统是软件，磁盘是硬件，为了防止硬件发生迭代变化而操作系统也需要随之变化，就需要做好操作系统与硬件的解耦工作，因此操作系统内部使用的不是CHS的地址。

为了减少进行IO操作的频率，操作系统与外设进行IO操作的基本单位大小是4KB(可以调整)。即使只需要修改一个字节的数据，也需要把这个数据所在的4KB大小的数据都加载进内存，修改好后再统一写回磁盘，因此我们把磁盘称为块设备。操作系统需要有一套新的地址来进行块级别的访问。

把磁盘磁道看作一个连续的空间结构：

扇区就相当于连续的数组，此时定位一个扇区只需要一个数组下标。由于操作系统是以4KB为单位进行IO的，所以一个操作系统级别的文件块要包括8个扇区。操作系统不关心扇区的概念，计算机常规的访问地址是通过起始地址和偏移量的方式进行的，因此操作系统访问数据块时，只需要知道数据块的起始地址和4KB就可以了，把数据块看作一种类型。

三、文件系统由于磁盘很大，为了更加方便的管理，操作系统对磁盘块进行了分区。分区后再对每一个磁盘区域进行分组。具体结构如下：

在操作系统对磁盘进行分区时，会在最开始的位置设置一个Boot Block，这段区域主要保存与操作系统相关的内容，比如分区表、镜像地址等。一般而言，这个分区存在于0号盘面的0号磁道的1号扇区。当用户开机时，操作系统会加载磁盘的驱动，读取磁盘的分区表，再从特定分区的开始位置读取到操作系统所在的地址，并加载操作系统，此时操作系统才算真正运行起来。

之后是操作系统对每一个分区进行分组形成的诸多Block group，即块组。每一个Block group都有上图所示的6块区域。

1、Super BlockSuper Block保存的是文件系统的所有属性信息，包括文件系统的类型、整个分组的情况。记录的信息主要有：block和inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最后一次写入数据的时间，最近一次写入磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。

2、Group Descriptor TableGDT为组描述符，保存该组内的详细统计等属性信息。比如本组内从哪里到哪里是哪部分内容，本组被使用了多少等。

3、inode Table一般而言，我们把文件内部所有属性的集合称为inode节点，一般大小为128字节。一个文件会有一个inode，一个分组内会有大量的文件，也有大量的inode节点，所以在组内会有一个专门的区域来保护这些inode节点，这个区域就称为inode Table，也叫inode表。

在分组内部，每个inode表都有自己的inode编号，inode编号本身也属于对应文件的属性，Linux查找一个文件的时候，也是通过inode编号来查找的。

一个inode对应一个文件，该文件的inode属性和该文件对应的数据块是有映射关系的。

4、Data Blocks文件的内容是变化的，用数据块来进行保存。所以要保存一个有效文件的内容，就需要n个数据块。如果有多个文件就需要多个数据块。这些数据块所在的区域就是Data Blocks。一个数据块的默认大小是4KB。

Linux查找一个文件，首先找到该文件的inode。在inode结构体内部有一个int blocks[NUM]数组，数组内记录了存储该文件内容的数据块的地址。一个分组中，百分之95以上的内容都是Data Blocks。

当操作系统要加载一个文件时，只加载该文件的inode节点。而inode节点中包含该文件内容数据块的映射关系，想要访问哪部分内容，就根据映射关系把哪一部分内容加载到内存中。

5、inode Bitmapinode Bitmap是一个位图结构，每个bit表示一个inode是否空闲可用。

6、Block BitmapBlock Bitmap是一个位图结构，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。

四、Linux下文件系统在Linux中，使用ls命令加上-i选项，就可以观察到文件的inode：

1、inode与文件名Linux系统只认inode值，且inode属性中不会包含文件名，因为文件名只是提供给用户看的

任何一个文件一定存在于目录中，目录其实也是一个文件，也有自己的inode值和对应的数据块，目录的数据库块里保存的是该目录的文件名和inode值对应的映射关系，而且在目录内，文件名与inode编号互为key值

inode number在一个分区内唯一有效，不能跨分区使用。根据inode number可以确定该文件在当前分区的哪一个分组。

2、文件的增删查改2.1、查看文件内容首先要在当前目录下找到目标文件的inode number。一个目录也是文件，也隶属于一个分区，在该分区中通过目标文件的inode number找到分组，在该组的inode Table区域找到目标文件的inode。通过目标文件的inode与对应Data blocks的映射关系，找到该文件的数据块，加载到操作系统，最后显示在显示器上。2.2、删除文件在当前目录下，根据文件名找到目标文件的inode number。根据inode number找到目标文件的inode，结合与对应Data blocks的映射关系，把block bitmap对应的比特位设置为0。根据inode number把inode bitmap对应的比特位设置为0。2.3、创建文件操作系统在目录所处的分组里扫描inode bitmap，找到空余的位置并设置为1，获得inode number。把该文件创建出来后的默认属性填充到对应的inode中。在当前所处的目录文件的Data blocks里追加一条新的文件名与inode number的映射关系。2.4、补充内容>

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