Linux——文件系统与软硬链接

前言

一、物理上的磁盘

二、磁盘存储的逻辑抽象结构

三、块组内容与工作原理

1.inode

2.Data bolcks

3.inode 位图

4.bolck bitmap

5.GDT

6.Super Block

四、软硬链接

五、软硬链接链接目录

前言

我们之前学习了文件标识符，重定向，缓冲区等等，但是这些都是对已打开文件进行管理的，但是操作系统中被打开的文件只占小部分，更多的是那些在磁盘中未打开的文件，但是操作仍然要对其进行管理，今天文件系统他就来了。

一、物理上的磁盘

我们肯定是将文件放到磁盘中的，这是因为磁盘的特性，他速度虽然不快，但可以长期存储文件，并且容量也比较大。现在我们的电脑存储设备大多是固态硬盘，SATA接口或者M.2接口，比起磁盘来体积小速度快，但成本也高，同时数据难以恢复。企业更多的使用的是磁盘，也就是机械硬盘。

磁盘的内部所示如图

剖析图

俯视图

从图片中我们可以看出，磁盘一圈一圈的有很多磁道，每一个磁道又划分了很多扇区，扇区是磁盘的最小存储单元---512字节，这是因为磁盘本身比较慢，按比特位来读写效率非常差，就算只需访问1比特位，也得将整个扇区放到内存中。

如果我想向一个扇区写入，首先得选择哪一面——选择磁头，其次选择哪一个磁道，最后选择磁道中的哪一个扇区。这就是CHS定位法（柱面cylinder,磁头head,扇区sector）。

二、磁盘存储的逻辑抽象结构

我们可以将磁盘想象成可以随机存储的磁带，磁带是很长的线，这根线不就类似于磁道吗，将线卷起来就类似于磁盘了。

既然这样，我们可以将磁盘空间抽象为线性空间，有好几面，每一面又有N多个磁道，每一个磁道又分为N个扇区，这不就类似于数组了呀。

比如1-100000为第一面，1-1000为第一个磁道，依次类推，那么我们对磁盘的管理，也就变成了对数组的管理。

操作系统可以按照扇区（512Byte）为单位进行存取，但更好的是按照文件块（8个扇区 4KB）为单位进行数据存取。这样能保证8个扇区是连续的，能更好利用局部性原理，让随机寻址变连续寻址，提升效率。

三、块组内容与工作原理

我们现在有500G的磁盘，我对其进行分区，三个区100G，一个区200G，分区之后，需要进行格式化，也就是将管理的数据写入到块组中。每一个块组的大小是格式化的时候确定的，不可修改。块组里又有什么内容呢？

1.inode

一般情况下，一个文件一个inode，inode为文件编号，在整个分区具有唯一性，Linux内核中，识别文件和文件名无关，只和inode有关。

块组中存在 inode 节点表，存放文件属性，如文件大小，所有者，最近修改时间等等。因为文件的属性是固定的，虽然内容不一定一样，但是属性占用的空间大小是一样的（128字节），inode表就是一个结构体数组，因此可以很方便的通过inode找到文件相关属性。

2.Data bolcks

前面inode Tables存放的是文件的属性，Data bolock是数据区，存放文件的内容。

之前我们提到，每一个数据块大小都是4KB，因此我们也可以对数据块进行编号，inode 结构体里面还有一个数组，存放的是文件的块号，因此该文件的内容也能轻易的找到。

3.inode 位图

每一个bit表示一个inode是否空闲可用。

比如有40000w个inode，那么我们只需要4（KB）就能代表所有的inode是否空闲。

4.bolck bitmap

块位图，比特位表示对应的Data block是否被使用。

5.GDT

前面的Bolck 和 inode等都是关于文件的信息，Group Descriptor Table而描述块组属性信息。

6.Super Block

超级块存放的是整个分区里面的数据，包括inode和block等等数据。他并没有跟Boot Block一样存放在分区的开始，而是存放在分组中，是因为Boot Block一般不会轻易变化，也就是不易发生损坏，而inode和block等数据会持续的发生变化，一旦Super Block毁坏，整个分区可能都不好了，因此放在组里，可以多放几份，保证Super Block的稳定，这一份挂掉从其他的组再拷贝过来再读取。同时Super Block也不会存在很多组里，会选择少数组存取，因为已经够用了。

Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。政府管理各区的例子
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：bolck 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
GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息。
块位图（Block Bitmap）：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位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
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
数据区：存放文件内容

小总结一下

用户只用文件名，内核只用inode编号，文件名和inode可以互相映射。自己目录内部直接保存的文件（包括文件夹）都有一份映射关系，因此同一目录下的所有文件不能重命名。因此我想在一个目录下新建、修改、删除文件需要 w 权限（会改变文件映射关系）。

四、软硬链接

链接文件分为两种，一种叫软链接，一种叫硬链接。

软连接代码如下

ln -s 源文件名 新文件名

硬链接代码如下，也就是没有 -s（soft）

ln 源文件名 新文件名

通过inode编号可以看到，软链接是一个独立的文件，而硬链接不是，因为他和源文件inode编号一样。

软链接就是新建了一个快捷方式，比如我电脑桌面的英雄联盟就是链接了D盘里面的laucher.exe，如果我们要卸载，只删除掉快捷方式是不行的。

我们知道，inode与文件名互相映射，硬链接不是一个独立文件，文件名不同，但inode相同，由此可推断硬链接的本质就是在指定目录内部添加的一组映射关系。

inode内部有引用计数，表面有几个文件名与之映射，当引用计数变为了0，那就代表文件被删除了。

同时今天我们也能明白文件权限后面那个数字是什么意思了，我们可以看到，当我们删除test的时候，inode没变，有一个值从2变成了1，该值就是硬链接数，哪些文件名指向对于的inode

硬链接的应用在linux系统中经常看见，比如文件中的 "." 和 ".." ，"." 代表当前文件，进入当前文件夹创建的文件夹，会发现 "." 文件的inode就是 dir ， ".."文件的inode就是前面文件的 "." 。由于是硬链接的关系，因此我们才可以使用"."找到当前文件夹，使用".."找到上级目录。