计算机操作系统作为最重要的系统软件，被用户直接使用的部分就是它的文件管理。因为用户使用计算机遇到的首要问题是如何保存程序和数据，然后如何查找、复制、删改它们。文件管理就是为用户的这些问题而设置的。

本次博文的主要内容：

1、文件系统基础（文件的概念、分类及存储机制）

2、从文件系统管理机制角度理解文件的复制、移动和删除

3、ext文件系统的扩展属性

4、硬链接和软链接

一、文件系统基础：

1、什么是文件系统：

操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构叫做文件系统。文件系统的目标是向用户提供简便、统一的使用文件的界面，实现文件按名存取。用户使用界面中的命令，按照文件的逻辑结构，直观、透明地对文件实施操作（所谓透明，是指用户不必了解文件存放的物理结构、查找方法、I/O实现细节等与存储介质有关的特性，就能完成对文件的有关操作）

2、文件系统的分类：

操作系统的文件系统按组成单位分为两类：

（1）流式文件：构成流式文件的基本单位是字符，即流式文件是具有符号名且在逻辑意义上完整的有穷字符流序列。如Linux、UNIX、OS/2、windows等都采用流式文件形式。

（2）记录式文件：构成记录式文件的基本单位是记录，所谓记录，是一段有独立意义的信息集合。如学生成绩文件，是由全部学生的成绩记录组成的，每个记录包括学生的姓名、学号、各科成绩等多个字段。

3、Linux系统中的文件类型：

  Linux系统中，文件被分为3类：

（1）目录文件：全部由目录组成的文件

（2）普通文件：由系统文件、用户文件、实用程序文件、库文件组成

（3）特别文件：所有的输入/输出设备被看作特别文件，系统指定专用的文件名，如：/dev/lp表示打印机设备。

4、虚拟文件系统：VFS（Virtual File System）

在前面的博文中已经提到，Linux系统支持众多文件系统，那它是如何做到的呢？

【答】通过虚拟文件系统VFS，使得Linux系统可以支持众多文件系统，这种机制有点类似java的虚拟机机制哈，通过虚拟机机制才使得java能够跨平台！

5、Linux系统ext文件系统的管理机制：

Linux运维实战之文件系统、链接文件_第1张图片

【Linux中文件系统存取文件的过程说明】

（1）根据文件名，通过Directory里的对应关系，找到文件对应的Inode number
（2）再根据Inode number读取到文件的Inode table
（3）再根据Inode table中的Pointer读取到相应的Blocks

Tips：

A、这里有一个重要的内容，就是Directory（目录），它并不是存放文件的容器，而是文件的路径映射，记录了一个文件/目录名称对应的Inode number；

B、每个Inode条目占用128个字节；

C、为了加速文件的查找速度，第一次需要查找，之后系统会把查找结果缓存到buffer中；事实上，系统启动时会把大多数文件缓存到buffer中（这就是buffer的意义）

【文件存储空间管理】

光盘、磁盘、磁带等是保存文件内容的物理设备，它们被划分成物理块（block），全部的物理块组成文件的存储空间。文件存储空间的管理就是块空间的管理，包括空闲块的分配、回收和组织几个问题。

常见的文件存储空间管理方法有：空闲块表和空闲块链、位图、空闲块成组链接法。Linux综合位图和空闲块成组链接法来实现文件存储空间的管理（如图所示）：

Linux运维实战之文件系统、链接文件_第2张图片

每个块组所包含的Block数相同，它们是自我管理的，其组成说明如下：

（1）Super Block（超级块）-->只有块组0中有超级块

  • 描述整个分区的文件系统信息，例如块大小、文件系统版本号、上次mount的时间等等。
  • 超级块在块组1、3、5、7、9上有一个备份；

【文件系统相关命令】

  • 用tune2fs –l 和 dumpe2fs [-h] 可查看超级块信息
  • du：disk usage

    -s: summary，显示某指定路径下所有文件的大小之和；
    -h：human-readale

  • df: disk free
        -l: 只显示本地文件系统的相关信息
        -h: human-readable
        -P: posix兼容的风格显示；
        -i: 显示inode使用信息，而非1k块 
#----tune2fs -l 命令查看超级块信息-----#

[root@Centos ~]# tune2fs -l /dev/sda1
tune2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Filesystem volume name:   
Last mounted on:          /boot
Filesystem UUID:          0a800a5e-6e0b-48f6-b935-1296b7438b64
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         #inode数目
Block count:              204800        #块数目
Reserved block count:     10240
Free blocks:              149802        #空闲块数
Free inodes:              51160         #空闲inode
First block:                1
Block size:               1024          #块大小
Fragment size:            1024
Reserved GDT blocks:      256
Blocks per group:         8192        #每个块组的块数
Fragments per group:      8192
Inodes per group:         2048
Inode blocks per group:   256
Flex block group size:    16
Filesystem created:       Wed Jan 29 05:20:48 2014
Last mount time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Last write time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Mount count:              19
Maximum mount count:      -1
Last checked:             Wed Jan 29 05:20:48 2014
Check interval:           0 ()
Lifetime writes:          162 MB
Reserved blocks uid:      0 (user root)
Reserved blocks gid:      0 (group root)
First inode:              11
Inode size:               128        #inode大小
Journal inode:            8
Default directory hash:   half_md4
Directory Hash Seed:      30a7a5f3-de5b-4d07-b512-ddb52100b427
Journal backup:           inode blocks
#----dumpe2fs命令查看超级块信息----#

[root@Centos ~]# dumpe2fs /dev/sda1
dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Filesystem volume name:   
Last mounted on:          /boot
Filesystem UUID:          0a800a5e-6e0b-48f6-b935-1296b7438b64
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:              149802
Free inodes:              51160
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:       Wed Jan 29 05:20:48 2014
Last mount time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Last write time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Mount count:              19
Maximum mount count:      -1
Last checked:             Wed Jan 29 05:20:48 2014
Check interval:           0 ()
Lifetime writes:          162 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:      30a7a5f3-de5b-4d07-b512-ddb52100b427
Journal backup:           inode blocks
Journal features:         journal_incompat_revoke
Journal size:             4096k
Journal length:           4096
Journal sequence:         0x000000a8
Journal start:            0


Group 0: (Blocks 1-8192) [ITABLE_ZEROED]         #块组0的信息
  Checksum 0xf7f8, unused inodes 2006
  Primary superblock at 1, Group descriptors at 2-2        #超级块信息
  Reserved GDT blocks at 3-258
  Block bitmap at 259 (+258), Inode bitmap at 275 (+274)
  Inode table at 291-546 (+290)
  3784 free blocks, 2008 free inodes, 6 directories, 2006 unused inodes
  Free blocks: 4409-8192
  Free inodes: 40, 42-2048
Group 1: (Blocks 8193-16384) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x132c, unused inodes 2048
  Backup superblock at 8193, Group descriptors at 8194-8194          #超级块的备份
  Reserved GDT blocks at 8195-8450
  Block bitmap at 260 (+4294959363), Inode bitmap at 276 (+4294959379)
  Inode table at 547-802 (+4294959650)
  844 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 11336, 11452-12288, 16379-16384
  Free inodes: 2049-4096
Group 2: (Blocks 16385-24576) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x6de3, unused inodes 2048
  Block bitmap at 261 (+4294951172), Inode bitmap at 277 (+4294951188)
  Inode table at 803-1058 (+4294951714)
  0 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 
  Free inodes: 4097-6144
Group 3: (Blocks 24577-32768) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xbade, unused inodes 2048
  Backup superblock at 24577, Group descriptors at 24578-24578        #超级块的备份
  Reserved GDT blocks at 24579-24834
  Block bitmap at 262 (+4294942981), Inode bitmap at 278 (+4294942997)
  Inode table at 1059-1314 (+4294943778)
  1789 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 24835-25101, 25103-26624
  Free inodes: 6145-8192
Group 4: (Blocks 32769-40960) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x3c6a, unused inodes 2048
  Block bitmap at 263 (+4294934790), Inode bitmap at 279 (+4294934806)
  Inode table at 1315-1570 (+4294935842)
  610 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 38303-38912
  Free inodes: 8193-10240
Group 5: (Blocks 40961-49152) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xadda, unused inodes 2048
  Backup superblock at 40961, Group descriptors at 40962-40962
  Reserved GDT blocks at 40963-41218
  Block bitmap at 264 (+4294926599), Inode bitmap at 280 (+4294926615)
  Inode table at 1571-1826 (+4294927906)
  1790 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 41219-43008
  Free inodes: 10241-12288

 

（2）GDT：Group Descriptor Table（块组描述符表）

  • 由很多块组描述符组成，整个分区分成多少个块组就对应有多少个块组描述符
  • 每个块组描述符（Group Descriptor）存储一个块组的描述信息，例如在这个块组中从哪里开始是inode表，从哪里开始是数据块，空闲的inode和数据块还有多少个等等
  • 和超级块类似，块组描述符表在每个块组的开头也都有一份拷贝，这些信息是非常重要的，一旦超级块意外损坏就会丢失整个分区的数据，一旦块组描述符意外损坏就会丢失整个块组的数据，因此它们都有多份拷贝

（3）bit map：位图

分为快位图（Block Bitmap）和结点位图（Inode Bitmap），机制如下：

【Block Bitmap】：当申请空闲块时，从位图上找出bit=0的字位，将其改为1，返回对应的块号；归还空闲块时，在位图上把该块所对应的字位改为0即可（如下图所示）。

 Linux运维实战之文件系统、链接文件_第3张图片

【Inode Bitmap】：和块位图类似，本身占一个块，其中每个bit表示一个inode是否空闲可用。

（4）Inode Table：Inode表：

  • 一个文件除了数据需要存储之外，一些描述信息也需要存储，例如文件类型（常规、目录、符号链接等），权限，文件大小，创建/修改/访问时间等，也就是"ls -l”命令看到的那些信息，这些信息存在inode中而不是数据块中。
  • 每个文件都有一个inode，一个块组中的所有inode组成了inode表
  • inode表占多少个块在格式化时就要决定并写入块组描述符中
  • mke2fs格式化工具的默认策略是一个块组有多少个8KB就分配多少个inode

（5）Data Blocks：数据块

  • 对于常规文件，文件的数据存储在数据块中
  • 对于目录，该目录下的所有文件名和目录名存储在数据块中，文件名保存在它所在目录的数据块中
  • 除文件名之外，ls -l命令看到的其它信息都保存在该文件的inode中
  • 目录也是一种文件，是一种特殊类型的文件
  • 对于符号链接，如果目标路径名较短则直接保存在inode中以便更快地查找，如果目标路径名较长则分配一个数据块来保存
  • 设备文件、FIFO和socket等特殊文件没有数据块，设备文件的主设备号和次设备号保存在inode中

6、ext文件系统中的目录：

从上面的Inode-table中可以看到，该表中存储的数据是文件的元数据（即描述文件属性的数据，例如文件类型、文件的时间戳、与文件权限相关的描述信息等），但并没有文件名，那文件名存储在什么地方呢？

文件名是保存在目录中的哈！下面重点说说目录。

文件系统要管理众多的文件，首要的问题是要把文件有条不紊地组织起来。每个文件都有目录项，目录是文件路径的映射（注意：目录并不是文件的容器），全部目录项组成目录文件，如下图所示：

Linux运维实战之文件系统、链接文件_第4张图片

可以看出，Linux系统的文件管理机构将文件属性从目录项分离出来了哈！分离出来的好处有两点：

（1）为文件的共享提供了方便：

若文件名不与文件属性信息分离，则指向同一个文件的多个目录项均应包含同一个文件的属性信息，也就是说，多个目录项中存有同一个文件属性信息的多个副本。这样显然造成存储空间的浪费哈！若文件属性分离，则指向同一个文件的多个目录项中只保存相同的Inode号，而文件属性信息只有一份，因此节省了存储空间。共享文件越多节省空间就越明显。增加共享链接或撤销共享链接也相当便利（后面我们会说到Linux系统中文件链接的知识哈）。

（2）减少文件“按名查找”引起的I/O传输：

假设外设为磁盘，每个磁盘块512字节。对Linux来说，若目录项含有文件属性，目录项占78个字节。若目录项不含有文件属性，目录项占16个字节。设某目录文件共有128个目录项，则前者共有约20个盘块，后者仅需4个盘块。由于每次启动I/O只传输一个盘块，所以后者查找一个目录项启动该盘的次数大大减少。

7、Linux系统树型目录组织结构：

再来考虑一个问题：Linux系统为什么要把目录组织成树状结构呢？

层次化结构能够大大减小查找的复杂度-->如果系统内文件很多，则目录文件会变得很长，要查找某个文件将耗费太多的时间（例如：我们要查找一个文件，但不知道它存储在什么地方，此时我们就需要从“/”下开始查找，那肯定是非常耗时间哈。若此时我们知道这个文件保存在"/var/log/” 下，那查找起来肯定快的多哈！）。树是一种层次化的数据结构，它由根结点，子结点以及子子结点组成。Linux借用树状结构来组织它的文件目录，形成树型目录组织。树型目录组织是多级目录组织的一种形式。Linux文件系统的目录组织结构如下图所示：

Linux运维实战之文件系统、链接文件_第5张图片

8、目录树上的搜索与操作：

（1）从目录的树根开始，经过各级子目录，最终到达数据文件名，才能对数据文件进行访问

（2）由根、各级目录名、数据文件名连接起来的字符串成为“绝对路径名”

（3）若用户当前正在某目录上进行操作，那么称其为“当前目录”

（4）给定路径名，从目录树上找到文件的Inode号的过程称为“文件名搜索”

Tips：为了加速文件查找，Linux通常采用缓存的机制（第一次查找文件时需要按顺序查找，之后就把结果缓存到buffer中）。 

二、Linux系统文件管理相关操作：

1、删除文件：

（1）将要删除的文件的Inode归类为空闲Inode

（2）将对应的磁盘块归为空闲块（不会对磁盘块做任何操作）

（3）完全删除文件（360文件粉碎机的原理）：将要删除的文件所对应的磁盘块用0填充

结论：从上面可知：删除文件的速度会非常快。

2、复制文件：文件复制的过程是创建一个与原文件一模一样（Inode、磁盘块均相同）的文件

3、移动文件：

不同分区之间的文件移动：创建新文件（创建全新的Inode和磁盘块），删除老文件（把文件的Inode清空归类为空闲Inode，把对应的磁盘块归类为空闲块）

同一个分区里的文件移动： 创建一个新的Inode指向源文件的磁盘块；将源文件的Inode清空归类为空闲Inode。

三、ext文件系统的扩展属性：

lsattr：列出文件的扩展属性

Linux运维实战之文件系统、链接文件_第6张图片

chattr：（+/-/=）赋予相关扩展属性

    -i：真正只读

    -a：仅允许追加内容

    -c：自动压缩（类似于NTFS的压缩功能）

 Linux运维实战之文件系统、链接文件_第7张图片 

四、链接文件：

1、硬链接：指向同一个Inode的两个路径

【语法】

如何创建硬链接文件： ln SRC_FILE LINK_FILE

ls –l 命令的第二段显示出的数字指文件被硬链接的次数，举例如下：

Linux运维实战之文件系统、链接文件_第8张图片

【特性】

  • 不能跨分区使用；
  • 不能对目录创建硬链接（否则会产生循环引用）；

例如目录A-->B，B-->C,C-->A，因此出现死循环。

  • 删除原文件路径，不影响链接文件的使用；
  • 所有文件指向同一个inode，因此，为它们是同一个文件；

【举例】

#----举例说明硬链接的特性----#

[root@Centos ~]# mkdir -pv LinkFileTest    #创建一个实验用目录
mkdir: created directory `LinkFileTest'
[root@Centos ~]# cd LinkFileTest/
[root@Centos LinkFileTest]# cp /etc/fstab .      #复制fstab文件到实验目录
[root@Centos LinkFileTest]# ln fstab fstab_bak       #为fstab文件创建硬链接
[root@Centos LinkFileTest]# ls -l
total 8
-rw-r--r--. 2 root root 924 Oct  8 20:45 fstab      
-rw-r--r--. 2 root root 924 Oct  8 20:45 fstab_bak        #可以看到两个文件的大小及其它相关属性都是一样的
[root@Centos LinkFileTest]# ls -i         #该命令可以查看文件的Inode号
396473 fstab  396473 fstab_bak         #可以看出原文件与其硬链接文件的Inode号完全一样

#尝试为目录创建硬链接：
[root@Centos LinkFileTest]# ln /tmp/ /hello
ln: `/tmp/': hard link not allowed for directory        #出错了哈：不允许为目录创建硬链接

 

2、软链接：（符号链接,symbolic link）

ls -l: 显示文件类型为l的文件

image            

【语法】

如何创建软链接文件： ln –s SRC_FILE LINK_FILE

【特性】

  • 不受分区限制；
  • 能够对目录创建；
  • 删除原文件，链接文件将无法使用；
  • 链接文件与原文件指向不同的inode，所以，并非同一个文件；
  • 软链接文件的大小为其所指向的文件的文件名称的字符数（只有Inode，没有具体的磁盘块）
  • 使用符号链接，查找文件的操作可能为两次
  • 软链接的文件类型取决于其所链接的文件

Tips：软连接类似于windows系统的快捷方式 

【举例】

#----举例说明软链接的特性----#

#能够对目录创建软链接
[root@Centos LinkFileTest]# ls -l
total 4
-rw-r--r--. 1 root root 924 Oct  8 21:06 fstab
lrwxrwxrwx. 1 root root   5 Oct  8 21:23 temp -> /tmp/

#链接文件与原文件指向不同的Inode
[root@Centos LinkFileTest]# ls -i fstab fstab_link 
396473 fstab  396478 fstab_link

#软连接文件的大小为其所指向的文件的文件名称的字符个数
[root@Centos LinkFileTest]# ls -l
total 4
-rw-r--r--. 1 root root 924 Oct  8 21:28 fstab
lrwxrwxrwx. 1 root root   5 Oct  8 21:25 fstab_link -> fstab      # fstab：正好5个字符哈
lrwxrwxrwx. 1 root root   5 Oct  8 21:23 temp -> /tmp/

#软连接的文件类型取决于原文件的类型
 [root@Centos LinkFileTest]# ls -l
total 4
-rw-r--r--. 1 root root 924 Oct  8 21:28 fstab
lrwxrwxrwx. 1 root root   5 Oct  8 21:25 fstab_link -> fstab      # fstab_link是普通文件
lrwxrwxrwx. 1 root root   5 Oct  8 21:23 temp -> /tmp/            #tmp是目录，可以cd进去
[root@Centos LinkFileTest]# cd temp/
[root@Centos temp]# ls
ssh-WnVOof5715  vmware-tools-distrib
[root@Centos temp]# ls /tmp/
ssh-WnVOof5715  vmware-tools-distrib                    #可以看到/tmp/与temp的内容相同

本次博客的内容就这么多哈，欢迎各位大大审阅、指正！~~