【Linux】文件周边003之文件系统

👀樊梓慕：个人主页

🎥个人专栏：《C语言》《数据结构》《蓝桥杯试题》《LeetCode刷题笔记》《实训项目》《C++》《Linux》《算法》

🌝每一个不曾起舞的日子，都是对生命的辜负

1.磁盘引入

2.文件系统

2.1初识inode

2.2inode Table

2.3inode Bitmap

2.4Data Blocks

2.5Block Bitmap

2.6Group Descriptor Table

2.7超级块Super Block

2.8Boot Block

2.9有关文件名

如何知道文件在哪一个分区？

3.软链接与硬链接

3.1软链接

3.2硬链接

前言

系统中大部分的文件是没有被打开的，那么操作系统是如何管理这些没有被打开的文件呢，接下来我们就要开始学习Linux系统对于文件的管理。

欢迎大家📂收藏📂以便未来做题时可以快速找到思路，巧妙的方法可以事半功倍。

=========================================================================

GITEE相关代码：🌟樊飞 (fanfei_c) - Gitee.com🌟

=========================================================================

1.磁盘引入

为了辅助后续linux系统对文件的管理，我们可以从磁盘入手，虽然磁盘现在已经很少出现在个人计算机上了（固态硬盘\机械硬盘），但对磁盘的学习可以帮助我们后续对文件系统的认识。

为什么要学习磁盘呢？

主要是为了研究磁盘的寻址方式，就是如何快速定位到某个位置。

根据上图有关磁盘的基本概念，你可能对磁盘的寻址方式有了初步的猜测。

对磁盘进行读写操作时，一般有以下几个步骤：

确定读写信息在磁盘的哪个柱面。
确定读写信息在磁盘的哪个盘面。
确定读写信息在磁盘的哪个扇区。

所以通过以上三个步骤我们就可以快速定位到一个扇区，从而找到读写位置。

注意：扇区大小一般为512字节。

该寻址方式被称为『 CHS定位法』。

C：cylinder 柱面
H：head 磁头（通过不同的磁头确定不同的盘面）
S：sector 扇区

2.文件系统

试想：如果我们把盘面拉直，是不是就得到了一个由n个扇区组成的“数组” ，这里可以联想到磁带。

那么该数组的基本单元是多大呢？

我们前面说一个扇区的大小为512字节，但是操作系统认为512字节太小了，访问效率太慢了，所以操作系统将连续的8个扇区作为一个基本数据块，即4KB，所以这4KB就是IO的基本单位，也就是说只要需要修改数据，哪怕再小，操作系统也要将这4KB拿出来做修改再放回去，这就是所谓的基本单位。

注意：不同操作系统可能不同，这个是自己定义的，但大部分操作系统都是4KB。

所以每8个扇区组成一个新的基本单元（数据块），从而得到的一个新的数组。

通过数组的下标（该下标被称为『 LBA（logic block address）逻辑块地址』），我们只要知道『每个磁道上的扇区数』和『每个盘面上的扇区总数』，就可以通过计算得到对应的扇区位置。

这一转化过程是磁盘自动转化的，所以通过这样的方式，我们成功将『对磁盘的管理』转化为了『对数组的增删查改』。

假设我们总共有400GB的磁盘空间，那么我们可以将这400GB进行分区管理，假设每个区域有100GB，同样的对于每个区域来说，我们可以将这100GB再划分得到每10GB的数据块，这样只要管理好这10GB，就能管理好全部，即只要管理好局部，就能管理好全局，那么接下来我们来研究一下如何管理这10GB，下图为Linux ext2文件系统的方案：

2.1初识inode

文件=文件内容+文件属性。

文件内容就是文件当中存储的数据，文件属性就是文件的一些基本信息，例如文件大小、文件创建时间等信息都是文件属性，文件属性又被称为元信息。

注：文件名不属于文件属性。

那么一般来说文件内容大小是不确定的，而文件属性大小是固定大小，因为文件属性的类别都是一样的，只不过不同文件中对应类别存储内容不同，比如创建时间不同等。

注：在Linux操作系统中，文件的元信息和内容是分离存储的。

所以设计出了一个结构体用来描述文件属性，该结构体即为inode，大小一般为128字节，每个文件都有自己的inode和对应的inode编号，该inode编号在『所处分区』内唯一。

所以系统中标识一个文件，用的不是文件名，而是inode编号。

注：无论是文件内容还是文件属性，它们都是存储在磁盘当中的。

所以我们可以猜想inode的结构可能如下：

然后我们再来研究一下数据块组内其他成员：

2.2inode Table

inode Table中存储的是该块组内所有文件的inode结构体，组织方式类似数组。

2.3inode Bitmap

还记得位图么，没错，这里同样是位图的寻址方式，每个bit标识一个inode是否空闲可用。

比特位的位置：inode Table中第几个inode。
比特位的内容：标识该inode是否被使用。

2.4Data Blocks

数据区，存储的是文件内容，内部由n个数据块构成，我们前面说每个数据块大小为4KB，由8个扇区构成。

2.5Block Bitmap

同样是位图，不过该位图记录着Data Blocks中哪个数据块已经占用，哪个数据块没有被占用。

比特位的位置：Data Blocks中第几个数据块。
比特位的内容：标识该数据块是否被使用。

另外，由于每个数据块大小仅为4KB，而文件大小可能会高于4KB，即一个文件可能会占用多个数据块，所以inode结构体中还会有这样的一个设计：

该block数组是为了映射更多的数据块，那么此时你可能还会有疑问：那该数组大小为15，15*4KB=60KB，那更大的文件呢？

其实这里block数组中：

0-11下标对应内容才为直接映射；
12-13下标对应的数据块并不直接保存数据，而保存指向其他数据块的编号（二级索引）；
14下标对应的数据块保存指向其他数据块的编号，而这些其他数据块也不直接保存数据，他们保存指向另外更多其他数据块的编号（三级索引）；

所以存储文件的量级还是非常可观的。

如何根据inode编号在不同块组中快速定位到inode呢？

其实每个分组都有对应的『起始inode编号』，我们可以首先根据每个分组的起始编号，判别在哪个组，然后减去该分组的起始编号，就能得到一个偏移量，该偏移量就是inode位图位置和inode表的下标索引。

你有没有发现计算机删除文件的速度一般很快？

其实这就是因为位图的设计方式，删除文件只需要将两个位图中对应的映射关系修改即可，其实就是相当于删除了映射，而存储在Data Blocks中的属性和数据都没有改动，所以删除文件的速度往往很快。

2.6Group Descriptor Table

描述整个块组的属性信息，诸如该块组有多少个inode，多少个数据块等等。

2.7超级块Super Block

存放文件系统本身的结构信息。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，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。

Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。

一般一个分区内会有少数几个块组内存在，存储相同的内容，主要目的是备份，防止文件系统结构被破坏。

操作系统对文件系统的管理：不同分区的Super Block构建成对象用链表的结构链接起来。

2.8Boot Block

一般仅在0号盘面的0号扇区存在，也就是最开始的位置，它主要作用是为了辅助开机，加载操作系统等，这里感兴趣的大家可以自行学习。

2.9有关文件名

在linux操作系统中，我们之前对文件的操作从未利用过inode寻找文件位置，而是利用文件名，那文件名与inode编号又有什么样的联系呢？

这里就要从目录说起了。

目录（文件夹）也是文件，只要是文件就有自己的inode和文件内容，那目录文件的文件内容存储的是什么呢？

其实目录文件的文件内容为目录内文件名与对应文件inode编号的映射关系。

所以这里我们就可以重新认识一下对文件的增删查改操作了。

为什么之前我们说当前用户如果没有目录的写权限，那么就无法对目录内的文件进行操作呢？

其实原因就在这里，因为你不能写入目录文件的内容（即映射关系）。

读权限等也是一样的道理。

目录文件与inode编号的映射关系存储在上级目录。

所以查找一个文件，在内核中，都要逆向地递归般得到映射关系，直到根目录，然后从根目录开始进行路径解析（根目录的inode是确定的）。

这样就一定会存在一种数据结构用来缓存对应路径的映射关系，这种数据结构被称为dentry（路径缓存、dentry缓存）。

struct dentry {
	atomic_t d_count;
	unsigned long d_vfs_flags;	/* moved here to be on same cacheline */
	spinlock_t d_lock;		/* per dentry lock */
	struct inode  * d_inode;	/* Where the name belongs to - NULL is negative */
	struct list_head d_lru;		/* LRU list */
	struct list_head d_child;	/* child of parent list */
	struct list_head d_subdirs;	/* our children */
	struct list_head d_alias;	/* inode alias list */
	unsigned long d_time;		/* used by d_revalidate */
	struct dentry_operations  *d_op;
	struct super_block * d_sb;	/* The root of the dentry tree */
	unsigned int d_flags;
	int d_mounted;
	void * d_fsdata;		/* fs-specific data */
 	struct rcu_head d_rcu;
	struct dcookie_struct * d_cookie; /* cookie, if any */
	unsigned long d_move_count;	/* to indicated moved dentry while lockless lookup */
	struct qstr * d_qstr;		/* quick str ptr used in lockless lookup and concurrent d_move */
	struct dentry * d_parent;	/* parent directory */
	struct qstr d_name;
	struct hlist_node d_hash;	/* lookup hash list */	
	struct hlist_head * d_bucket;	/* lookup hash bucket */
	unsigned char d_iname[DNAME_INLINE_LEN_MIN]; /* small names */
}

这里dentry具体的结构我们不作研究，只需要知道每个『打开的文件』的dentry里面存储了inode属性和路径属性，当然不止目录文件这样存储，普通文件也是一样的。