文件系统进阶(上)

一、文件系统类型

• Linux文件系统: ext2, ext3, ext4, xfs（SGI）, btrfs（Oracle）, reiserfs, jfs（AIX）, swap

• 光盘：iso9660

• Windows：fat32, ntfs

• Unix: FFS（fast）, UFS（unix）, JFS2

• 网络文件系统：NFS, CIFS

• 集群文件系统：GFS2, OCFS2（oracle）

• 分布式文件系统：ceph, moosefs, mogilefs, fastdfs，glusterfs, Lustre

• RAW：未经处理或者未经格式化产生的文件系统

文件根据其是否支持“日志(journal)”功能可分为两类：

• 有日志：ext3, ext4, xfs

• 无日志：ext2

小贴士：日志文件系统：

一种文件系统，指在文件系统发生变化时，先把相关的信息写入一个被称为日志的区域，然后再把变化写入主文件系统的文件系统。在文件系统发生故障（如内核崩溃或突然停电）时，日志文件系统更容易保持一致性，并且可以较快恢复。

二、虚拟文件系统

虚拟文件系统也成为VFS。

VFS存在的意义：

• 1.向上，对应用层提供一个标准的文件操作接口；

• 2.对下，对文件系统提供一个标准的接口，以便其他操作系统的文件系统可以方便的移植到Linux上；

• 3.VFS内部则通过一系列高效的管理机制，比如inode cache, dentry cache 以及文件系统的预读等技术，使得底层文件系统不需沉溺到复杂的内核操作，即可获得高性能；

• 4.此外VFS把一些复杂的操作尽量抽象到VFS内部，使得底层文件系统实现更简单。

VFS架构图：

三、文件系统的组成

文件系统管理分两部分组成：

• 文件系统内核模块：如 ext4, xfs, vfat...

• 文件系统管理工具：如 mkfs.ext4, mkfs.xfs,mkfs.vfat...

查看当前系统支持的文件系统类型：

[root@CentOS6 ~]# cat /proc/filesystems 
nodev   sysfs
nodev   rootfs
nodev   bdev
nodev   proc
...

四、文件系统选择

1、大量小文件（LOSF, Lost of small files）I/O应用(如小图片)

Reiserfs(首选), Ext4文件系统适合这类负载特征，IO调度算法选择deadline，block size = 4096, ext4关闭日志功能。

2、大文件I/O应用(如视频下载、流媒体)

EXT4文件系统适合此类负载特征，IO调度算法选择anticipatory, block size = 4096, 关闭日志功能，启用extent(default)。

3、SSD文件系统选择

EXT4/Reiserfs可以作为SSD文件系统，但未对SSD做优化，不能充分发挥SSD性能，并影响SSD使用时间。 Btrfs对SSD作了优化，mount通过参数启用。但Btrfs仍处于实验阶段，生产环境谨慎使用。

五、创建与管理文件系统

1.mkfs命令

格式：

mkfs -t  /dev/DEVICE

常用选项：

-t FS_TYPE：指定文件系统类型
-L LABEL:指定卷标名称

实例：

[root@bash ~]# mkfs -t ext4 -L "YOUNG" /dev/sdb
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
/dev/sdb is entire device, not just one partition!
Proceed anyway? (y,n) y
Filesystem label=YOUNG
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks
1310720 inodes, 5242880 blocks
262144 blocks (5.00%) reserved for the super user
First data block=0
Maximum filesystem blocks=2153775104
160 block groups
32768 blocks per group, 32768 fragments per group
8192 inodes per group
Superblock backups stored on blocks: 
        32768, 98304, 163840, 229376, 294912, 819200, 884736, 1605632, 2654208, 
        4096000

Allocating group tables: done                            
Writing inode tables: done                            
Creating journal (32768 blocks): done
Writing superblocks and filesystem accounting information: done

2.mkfs.FS_TYPE命令

格式：

mkfs.FS_TYPE /dev/DEVICE

实例：

[root@bash ~]# mkfs.ext4 /dev/sdb
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
/dev/sdb is entire device, not just one partition!
Proceed anyway? (y,n) y
Filesystem label=
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
...

3.mke2fs命令

mke2fs专用于ext系列文件系统的创建于管理。

常用选项：

-t {ext2|ext3|ext4}：指定文件系统
-b {1024|2048|4096}: 指定块大小
-L LABEL：卷标，即分区名称
-j: 相当于“mke2fs -t ext3”
    mkfs -t ext3 = mke2fs -t ext3 = mke2fs -j = mke2fs -O has_journal
-i #: 为数据空间中的每多少字节创建一个inode；此字节数不应该小于块大小；比例关系；
-I： 一个inode记录大小128---4096
-N #：直接指定元数据区有多少个inode；
-m #: 指定为管理预留管理空间占据总空间的百分比；默认为5%
-O FEATURE[,...]：指定启用分区的某特殊特性
-O ^FEATURE：关闭指定特性
    -O has_journal：启用日志
    -O ^has_journal：关闭关闭

实例：

[root@bash ~]# mke2fs -t ext4 -b 4096 -L 'young'\
-i 4096 -N 100000 -I 128 -m 6 -O has_journal /dev/sdb
mke2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
/dev/sdb is entire device, not just one partition!
Proceed anyway? (y,n) y
Filesystem label=young
OS type: Linux
Block size=4096 (log=2)
Fragment size=4096 (log=2)
Stride=0 blocks, Stripe width=0 blocks
102400 inodes, 5242880 blocks
314572 blocks (6.00%) reserved for the super user
...

4.e2lablel命令

e2lablel命令用于卷标查看及管理。

格式：

e2label DEVICE [LABEL]

实例：

[root@bash ~]# e2label /dev/sdb
young
[root@bash ~]# e2label /dev/sdb "GEEK"
[root@bash ~]# e2label /dev/sdb
GEEK

5.blkid命令

blkid命令用于块设备属性信息显示。

格式：

blkid [OPTIONS] [DEVICE]

常用选项：

-U UUID: 列出某UUID对应的设备
-L LABEL: 列出使用此LABEL设备

实例：

[root@bash ~]# blkid 
/dev/sdb: LABEL="GEEK" UUID="2e564b3f-e542-4bef-aa88-d70935c5c5fb" TYPE="ext4" 
/dev/sr0: UUID="2015-12-09-22-36-30-00" LABEL="CentOS 7 x86_64" TYPE="iso9660" PTTYPE="dos" 
/dev/sda1: UUID="812a29ec-11dd-4fa6-b373-c4b42fb80162" TYPE="xfs" 
/dev/sda2: UUID="3b67c557-763b-41f2-aff0-4810b0324128" TYPE="xfs" 
/dev/sda3: UUID="86e06c71-0806-4463-bf6d-490a28cb12b6" TYPE="xfs" 
/dev/sda5: UUID="431c5b57-a52d-4fcc-8845-f984c463b78f" TYPE="swap" 
[root@bash ~]# ^C
[root@bash ~]# blkid -U 2e564b3f-e542-4bef-aa88-d70935c5c5fb
/dev/sdb
[root@bash ~]# blkid /dev/sdb
/dev/sdb: LABEL="GEEK" UUID="2e564b3f-e542-4bef-aa88-d70935c5c5fb" TYPE="ext4" 
[root@bash ~]# blkid -L "GEEK" 
/dev/sdb

6.dumpe2fs命令

dumpe2fs用于ext系列文件系统的超级块信息查看。

格式：

dumpe2fs [OPTIONS] DEVICE

常用选项：

-h: 仅显示超级块信息

实例：

[root@CentOS6 ~]# dumpe2fs /dev/sda1
dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Filesystem volume name:   
Last mounted on:          /boot
Filesystem UUID:          23048871-a3fd-4d25-92da-5c39459bf7c6
Filesystem magic number:  0xEF53
Filesystem revision #:    1 (dynamic)
Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize
Filesystem flags:         signed_directory_hash 
Default mount options:    user_xattr acl
Filesystem state:         clean
Errors behavior:          Continue
Filesystem OS type:       Linux
Inode count:              51200
Block count:              204800
Reserved block count:     10240
Free blocks:              64456
Free inodes:              49329
First block:              1
Block size:               1024
Fragment size:            1024
Reserved GDT blocks:      256
Blocks per group:         8192
Fragments per group:      8192
Inodes per group:         2048
Inode blocks per group:   256
Flex block group size:    16
Filesystem created:       Tue Jul 19 19:11:41 2016
Last mount time:          Tue Jan 31 02:35:52 2017
Last write time:          Tue Jan 31 02:35:52 2017
Mount count:              143
Maximum mount count:      -1
Last checked:             Tue Jul 19 19:11:41 2016
Check interval:           0 ()
Lifetime writes:          332 MB
Reserved blocks uid:      0 (user root)
Reserved blocks gid:      0 (group root)
First inode:              11
Inode size:               128
Journal inode:            8
Default directory hash:   half_md4
Directory Hash Seed:      ac8bb143-702c-4f17-80fd-afda06b8763e
Journal backup:           inode blocks
Journal features:         journal_incompat_revoke
Journal size:             4096k
Journal length:           4096
Journal sequence:         0x000002a7
Journal start:            1


Group 0: (Blocks 1-8192) [ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x70bd, unused inodes 214
  Primary superblock at 1, Group descriptors at 2-2
  Reserved GDT blocks at 3-258
  Block bitmap at 259 (+258), Inode bitmap at 275 (+274)
  Inode table at 291-546 (+290)
  3545 free blocks, 216 free inodes, 229 directories, 214 unused inodes
  Free blocks: 4648-8192
  Free inodes: 34, 1834-2048
...

innode与超级块关系图：

超级块：超级块（superblock）的作用是存储文件系统的大小、有多少是空的和已经填满的占多少，以及他们各自的总数和其他诸如此类的信息。要使用一个分区来进行数据访问，那么第一个要访问的就是超级块。所以，超级块坏了，那磁盘也就基本没救了。

超级块占用1号物理块，就是文件系统的控制块，超级块包括：文件系统的大小、空闲块数目、空闲块索引表、空闲i节点数目、空闲i节点索引表、封锁标记等。超级块是系统为文件分配存储空间、回收存储空间的依据。

所以为了防止超级块数据损坏，就需要对超级块数据进行备份，以便于损坏时可以修复。

• indoe bitmap (indoe对照表）: 用来记录当前文件系统的indoe哪些是已经使用的，哪些又是未使用的。

• block bitmap (块对照表）： 用来记录当前文件系统哪些block已经使用，哪些又是未使用的。

• inode table (inode 表格）：inode是用来记录文件的属性以及该文件实际数据所在的block的号码。

• GDT(Global Descriptor Table)：用来描述每个block group开始和结束的block号码以及每个区段位于哪一个block号码之间。相当于文件系统描述的是每个block group的信息。

• data blocks:数据块，用于存放数据

7.tune2fs命令

tune2fs用于重新设定可ext系统文件系统中的可调整参数。

格式：

tune2fs [OPTIONS] DEVICE

常用选项：

-l： 查看指定文件系统的超级块信息
-L LABEL：设定卷标
-m #: 调整为管理员预留空间的百分比
-j: 用于为ext2文件系统 添加ext3格式的日志，提升ext2为ext3
-O: 文件系统属性的打开或关闭，–O ^has_journal
-o: 调整文件系统挂载的默认属性（文件系统挂载属性的开启或关闭），–o ^acl
-U UUID：设定指定文件系统的UUID；

实例：

[root@bash ~]# tune2fs -l /dev/sdb #列出超级块信息，相当于dumpe2fs -h
tune2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
Filesystem volume name:   GEEK
Last mounted on:          
Filesystem UUID:          2e564b3f-e542-4bef-aa88-d70935c5c5fb
Filesystem magic number:  0xEF53
Filesystem revision #:    1 (dynamic)
Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype extent 64bit flex_bg sparse_super large_file huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize
Filesystem flags:         signed_directory_hash 
Default mount options:    user_xattr acl
Filesystem state:         clean
Errors behavior:          Continue
Filesystem OS type:       Linux
Inode count:              102400
...

[root@bash ~]# tune2fs -L "H" /dev/sdb #设定卷标
tune2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
[root@bash ~]# e2label /dev/sdb  
H

[root@bash ~]# blkid /dev/sdb
/dev/sdb: UUID="6ce61834-a56c-4367-bce3-953d05f5f4bc" TYPE="ext2" 
[root@bash ~]# tune2fs -j /dev/sdb   #增加日志，提升为ext3
tune2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
Creating journal inode: done
[root@bash ~]# blkid /dev/sdb     
/dev/sdb: UUID="6ce61834-a56c-4367-bce3-953d05f5f4bc" SEC_TYPE="ext2" TYPE="ext3" 

[root@bash ~]# tune2fs -o ^acl /dev/sdb

[root@bash ~]# uuidgen
5272519a-039a-4bf0-817a-6014daec5e15
[root@bash ~]# tune2fs -U 5272519a-039a-4bf0-817a-6014daec5e15 /dev/sdb #修改uuid
tune2fs 1.42.9 (28-Dec-2013)
[root@bash ~]# blkid -U 5272519a-039a-4bf0-817a-6014daec5e15
/dev/sdb

8.findfs命令

findfs命令用于根据卷标或者UUID查找设备

格式：

findfs [OPTIONS] UUID=
findfs [OPTIONS] LABEL=

实例：

[root@bash ~]# e2label /dev/sdb "YOUNG"
[root@bash ~]# e2label /dev/sdb
YOUNG
[root@bash ~]# blkid /dev/sdb
/dev/sdb: LABEL="YOUNG" UUID="5272519a-039a-4bf0-817a-6014daec5e15" SEC_TYPE="ext2" TYPE="ext3" 
[root@bash ~]# findfs UUID="5272519a-039a-4bf0-817a-6014daec5e15"
/dev/sdb
[root@bash ~]# findfs LABEL="YOUNG"
/dev/sdb