LINUX文件系統(tǒng)詳解

在LINUX系統(tǒng)中有一個重要的概念：一切都是文件。其實這是UNIX哲學(xué)的一個體現(xiàn)，而Linux是重寫UNIX而來，所以這個概念也就傳承了下來。在UNIX系統(tǒng)中，把一切資源都看作是文件，包括硬件設(shè)備。UNIX系統(tǒng)把每個硬件都看成是一個文件，通常稱為設(shè)備文件，這樣用戶就可以用讀寫文件的方式實現(xiàn)對硬件的訪問。這樣帶來優(yōu)勢也是顯而易見的：

l         實現(xiàn)了設(shè)備無關(guān)性。

l         UNIX 權(quán)限模型也是圍繞文件的概念來建立的，所以對設(shè)備也就可以同樣處理了。

  下面我們來詳細(xì)的了解Linux文件系統(tǒng)的幾個要點。

一、             物理磁盤到文件系統(tǒng)

我們知道文件最終是保存在硬盤上的。硬盤最基本的組成部分是由堅硬金屬材料制成的涂以磁性介質(zhì)的盤片，不同容量硬盤的盤片數(shù)不等。每個盤片有兩面，都可記錄信息。盤片被分成許多扇形的區(qū)域，每個區(qū)域叫一個扇區(qū)，每個扇區(qū)可存儲128×2的N次方（N＝0.1.2.3）字節(jié)信息。在DOS中每扇區(qū)是128×2的2次方＝512字節(jié)，盤片表面上以盤片中心為圓心，不同半徑的同心圓稱為磁道。硬盤中，不同盤片相同半徑的磁道所組成的圓柱稱為柱面。磁道與柱面都是表示不同半徑的圓，在許多場合，磁道和柱面可以互換使用，我們知道，每個磁盤有兩個面，每個面都有一個磁頭，習(xí)慣用磁頭號來區(qū)分。扇區(qū)，磁道（或柱面）和磁頭數(shù)構(gòu)成了硬盤結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，幫這些參數(shù)可以得到硬盤的容量，基計算公式為：

存儲容量＝磁頭數(shù)×磁道（柱面）數(shù)×每道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

要點：

（1）硬盤有數(shù)個盤片，每盤片兩個面，每個面一個磁頭

（2）盤片被劃分為多個扇形區(qū)域即扇區(qū)

（3）同一盤片不同半徑的同心圓為磁道

（4）不同盤片相同半徑構(gòu)成的圓柱面即柱面

（5）公式： 存儲容量＝磁頭數(shù)×磁道（柱面）數(shù)×每道扇區(qū)數(shù)×每扇區(qū)字節(jié)數(shù)

（6）信息記錄可表示為：××磁道（柱面），××磁頭，××扇區(qū)

那么這些空間又是怎么管理起來的呢？unix/linux使用了一個簡單的方法。如圖所示。

圖1

它將磁盤塊分為以下三個部分：

1)        超級塊，文件系統(tǒng)中第一個塊被稱為超級塊。這個塊存放文件系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)信息。比如，超級塊記錄了每個區(qū)域的大小，超級塊也存放未被使用的磁盤塊的信息。

2)        I-切點表。超級塊的下一個部分就是i-節(jié)點表。每個i-節(jié)點就是一個對應(yīng)一個文件/目錄的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)它包含了一個文件的長度、創(chuàng)建及修改時間、權(quán)限、所屬關(guān)系、磁盤中的位置等信息。一個文件系統(tǒng)維護(hù)了一個索引節(jié)點的數(shù)組，每個文件或目錄都與索引節(jié)點數(shù)組中的唯一一個元素對應(yīng)。系統(tǒng)給每個索引節(jié)點分配了一個號碼，也就是該節(jié)點在數(shù)組中的索引號，稱為索引節(jié)點號

3)        數(shù)據(jù)區(qū)。文件系統(tǒng)的第3個部分是數(shù)據(jù)區(qū)。文件的內(nèi)容保存在這個區(qū)域。磁盤上所有塊的大小都一樣。如果文件包含了超過一個塊的內(nèi)容，則文件內(nèi)容會存放在多個磁盤塊中。一個較大的文件很容易分布上千個獨產(chǎn)的磁盤塊中。

二、             創(chuàng)建一個文件的過程

我們從前面可以知道文件的內(nèi)容和屬性是分開存放的，那么又是如何管理它們的呢?現(xiàn)在我們以創(chuàng)建一個文件為例來講解。

在命令行輸入命令：

$ who > userlist

我們可以通過系統(tǒng)命令ls來查看新建文件userlist的信息：（ls 命令后的i就表示打印i節(jié)點信息）

圖2

當(dāng)完成這個命令時。文件系統(tǒng)中增加了一個存放命令who輸出內(nèi)容的新文件userlist，那么這整個過程到底是怎么回事呢？

文件主要有屬性、內(nèi)容以及文件名三項。內(nèi)核將文件內(nèi)容存放在數(shù)據(jù)區(qū)，文件屬性存放在i-節(jié)點，文件名存放在目錄中。圖2顯示了創(chuàng)建一個文件的例子，假如這個新文件要3 個存儲塊來存放內(nèi)容。那么整個個程大概如下：

圖3

創(chuàng)建成功一個文件主要有以下四個步驟：

1)        存儲屬性 也就是文件屬性的存儲，內(nèi)核先找到一塊空的i-節(jié)點。圖3中。內(nèi)核找到i-節(jié)點號921130。內(nèi)核把文件的信息記錄其中。如文件的大小、文件所有者、和創(chuàng)建時間等

2)        存儲數(shù)據(jù) 即文件內(nèi)容的存儲，由于該文件需要3個數(shù)據(jù)塊。因此內(nèi)核從自由塊的列表中找到3個自由塊。圖3中分別為600、200、992，內(nèi)核緩沖區(qū)的第一塊數(shù)據(jù)復(fù)制到塊600，第二和第三分別復(fù)制到922和600.

3)        記錄分配情況，數(shù)據(jù)保存到了三個數(shù)據(jù)塊中。所以必須要記錄起來，以后再找到正確的數(shù)據(jù)。分配情況記錄在文件的i-節(jié)點中的磁盤序號列表里。這3個編號分別放在最開始的3個位置。

4)        添加文件名到目錄，新文件的名字是userlist 內(nèi)核將文件的入口(47,userlist)添加到目錄文件里。文件名和i-節(jié)點號之間的對應(yīng)關(guān)系將文件名和文件和文件的內(nèi)容屬性連接起來，找到文件名就找到文件的i-節(jié)點號，通過i-節(jié)點號就能找到文件的屬性和內(nèi)容。

三、             創(chuàng)建一個目錄的過程

前面說了創(chuàng)建一個文件的大概過程，也了解文件內(nèi)容、屬性以及入口的保存方式，那么創(chuàng)建一個目錄時又是怎么回事呢？

我現(xiàn)在test目錄使用命令mkdir 新增一個子目錄child：

圖4

從用戶的角度看，目錄child是目錄test的一個子目錄，那么在系統(tǒng)中這層關(guān)系是怎么實現(xiàn)的呢？實際上test目錄包含一個指向子目錄child的i-節(jié)點的鏈接，原理跟普通文件一樣，因為目錄也是文件。目錄在系統(tǒng)中的保存方式和結(jié)構(gòu)大概如下：

圖5

目錄其實也是文件，只是它的內(nèi)容比較特殊。所以它的創(chuàng)建過程和文件創(chuàng)建過程一樣，只是第二步寫的內(nèi)容不同。

1)      系統(tǒng)找到空閑的i-節(jié)點號887220,寫入目錄的屬性

2)      找到空閑的數(shù)據(jù)塊1002來存儲目錄的內(nèi)容，只是目錄的內(nèi)容比較特殊，包含文件名字列表，列表一般包含兩個部分：i-節(jié)點號和文件名，這個列表其實也就是文件的入口，新建的目錄至少包含三個目錄”.”和”..”其中”.”指向自己，”..”指向上級目錄，我們可以通過比較對應(yīng)的i-節(jié)點號來驗證,887270 對應(yīng)著上級目錄中的child對應(yīng)的i-節(jié)點號

3)      記錄分配情況。這個和創(chuàng)建文件完全不樣

4)      添加目錄的入口到父目錄，即在父目錄中的child入口。

一般都說文件存放在某個目錄中，其實目錄中存入的只是文件在i-節(jié)點表的入口，而文件的內(nèi)容則存儲在數(shù)據(jù)區(qū)。圖3中，我們一般會說“文件userlist在目錄test中”,其實這意味著目錄test中有一個指向i-節(jié)點921130的鏈接，這個鏈接所附加的文件名為userlist,這也可以這樣理解：目錄包含的是文件的引用，每個引用被稱為鏈接。文件的內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)塊。文件的屬性被記錄在一個被稱為i-節(jié)點的結(jié)構(gòu)中。I-節(jié)點的編號和文件名關(guān)聯(lián)起來存在目錄中。

注意：其中“.”表示是當(dāng)前目錄。而“..”是當(dāng)前目錄的父目錄。但也有特殊情況：如我們查看根目錄/的情況:

圖6

發(fā)現(xiàn)“.”和“..”都指向i-節(jié)點2。實際上當(dāng)我們用mkfs創(chuàng)建一個文件系統(tǒng)時，mkfs都會將根目錄的父目錄指向自己。所以根目錄下.和..指向同一個i-節(jié)點也不奇怪了。

四、             理解鏈接

鏈接分為兩種，1是硬鏈接，2是符號鏈接（也稱為軟鏈接）

1、 硬鏈接

硬鏈接(had link),是將目錄鏈接到文件樹的指針，硬鏈接同時也是將文件名和文件本身鏈接起來的指針

我們現(xiàn)在進(jìn)入目錄child:并輸入法以下命令

圖7

 我們發(fā)現(xiàn)通過ln建立的鏈接文件mylink對應(yīng)的i-節(jié)點也是921130.和上一級目錄下的userlist指向的i-節(jié)點號是一樣的。由此我們可以知道mylink和../userlist其實是指向同一個i-節(jié)點號,也可以理解為這兩者其實是同一個文件。

圖8

創(chuàng)建一個鏈接的步驟大概如下：

1）  通過原文件的文件名找到文件的i-節(jié)點號

2）  添加文件名關(guān)聯(lián)到目錄，新文件的名字是mylink 內(nèi)核將文件的入口(921130,mylink)添加到目錄文件里。

和創(chuàng)建文件的過程比較發(fā)現(xiàn)，鏈接少了寫文件內(nèi)容的步驟，完全相同的是把文件名關(guān)聯(lián)到目錄這一步

現(xiàn)在.i- 節(jié)點號921130對應(yīng)了兩個文件名。鏈接數(shù)也會變成2個，文件的內(nèi)容并不會發(fā)生任何變化。前面我們已經(jīng)講了：目錄包含的是文件的引用，每個引用被稱為鏈接。所以鏈接文件和原始文件本質(zhì)上是一樣的，因為它們都是指向同一個i-節(jié)點。由于此原因也就可以理解鏈接的下列特性：你改變其中任何一個文件的內(nèi)容，別的鏈接文件也一樣是變化；另外如果你刪除某一個文件，系統(tǒng)只會在所指向的i-節(jié)點上把鏈接數(shù)減1，只有當(dāng)鏈接數(shù)減為零時才會真正釋放i-節(jié)點。

硬鏈接有兩個特點：

1）不能跨文件系統(tǒng)

2）不能對目錄

2、符號鏈接

另外還有一種符號鏈接，也稱“軟鏈接”，符號鏈接是通過文件名引用文件，而不是i-節(jié)點號，這和硬鏈接的原理完全是不同的，我們先看屬性：

圖9

發(fā)現(xiàn)通過ln –s 創(chuàng)建的軟鏈接mylink2的i-節(jié)點是1574059，和../userlist的不相同。軟鏈接的好處就是可以跨不同的文件系統(tǒng)，而且可以鏈接目錄