【Linux/Unix系统编程手册笔记】文件系统

1、文件系统相关概念

设备专用文件（设备文件）

设备专用文件与系统的某个设备相对应。在内核中，每种设备类型都有与之相对应的设备驱动程序，用来处理设备的所有I/O请求。设备驱动程序属于内核代码单元，可执行一系列操作，通常与相关硬件的输入输出动作相对应。

设备可划分以下两种类型：

• 字符型设备基于字符处理数据（终端、键盘）
• 块设备每次处理一块数据（磁盘、磁带）

设备文件位于/dev 目录下，超级用户可使用mknod命令创建设备文件，特权级程序执行mknod()系统调用

设备ID，每个设备文件有主ID和辅ID，主ID标识一般的设备等级，内核会使用主ID来查找该类设备相应的驱动程序，辅ID能够在一般等级中唯一标识特定设备。设备文件的i结点中记录了这两个ID。

磁盘和分区

磁盘分区：可将每块磁盘划分为一个或多个不重叠的分区，内核则将每个分区视为/dev路径下的单独设备

磁盘分区可容纳任何类型的信息：

• 文件系统：存放常规文件
• 数据区域：可作为裸设备对其进行访问
• 交换区域：供内核的内存管理用

文件系统

文件系统是对常规文件和目录的组织集合。创建文件系统的命令：mkfs

Linux支持多种文件系统：

• 传统ext2文件系统
• 各种原生Unix文件系统，Minix、System V、BSD
• 微软的FAT、FAR32以及NTFS
• Apple的HFS
• 一系列日志文件系统：ext3、ext4...

/proc/filesystems中查看当前内核所知的文件系统类型

文件系统结构

在文件系统中，用来分配空间的基本单位是逻辑块，亦即文件系统所在磁盘设备上若干连续的物理块。

磁盘分区和文件系统的关系：

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文件系统由以下几部分组成：

• 引导块：总是作为文件系统的首块。引导块不为文件系统所用，只是包含用来引导操作系统的信息。
• 超级快：包含于文件系统有关的信息，其中包含
  • i节点表容量
  • 文件系统中逻辑块的大小
  • 以逻辑块计，文件系统的大小
• i节点表：文件系统中的每个文件或目录在i节点表中都对应着唯一一条记录
• 数据库：文件和目录

i节点

i节点表维护的信息：

• 文件类型（比如常规文件、目录、符号链接、字符设备）
• 文件属主
• 文件属组
• 3类用户访问权限
• 3个时间戳
• 指向文件的硬链接数量
• 文件的大小，以字节为单位
• 实际分配给文件的块数量，以512字节块为单位
• 指向文件数据库的指针

虚拟文件系统（VFS）

虚拟文件系统是一种内核特性，通过为文件系统操作创建抽象层来解决不需要理解各种文件系统实现细节的问题

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• VFS针对文件系统定义了一套通用接口，所有与文件交互的程序都会按照这一接口来进行操作
• 每种文件系统都会提供VFS接口的实现
• VFS接口的操作与涉及文件系统和目录的所有常规系统调用相对应
  • open()
  • read()
  • write()
  • lseek()
  • close()
  • truncate()
  • stat()
  • mount()
  • unmount()
  • mmap()
  • mkdir()
  • link()
  • unlink()
  • symlink()
  • rename()

日志文件系统

日志文件系统，无需在系统崩溃后对文件进行漫长的一致性检查。在实际更新元数据之前，日志文件系统会将这些更新操作记录与专用的磁盘日志文件中。在事务处理过程中，一旦系统奔溃，系统重启时就会李彤日志重做任何不完整的更新，同时为文件系统恢复一致性状态。

单根目录层级和挂载点

linux所有的文件系统都挂载在单根目录树下。

mount device directory  // 将名为device的文件系统挂载到目录层级中有directory所指定的目录

mount()
unount()

/proc/mounts 虚拟文件可查看已挂载文件系统的列表

虚拟内存文件系统：tmpfs

Linux支持驻留于内存中的虚拟文件系统，由于不涉及磁盘访问，虚拟文件系统的文件操作速度极快

获得与文件系统有关的信息：statvfs()

2、目录与链接

目录和硬链接

在文件系统中，目录的存储方式类似普通文件，但区别有二：

• 在其i-node条目中，会将目录标记为一种不同的文件类型
• 目录是经过特殊组织而成的文件。本质上说是一个表格，包含文件名和i-node编号

在i-node表中并未存储文件名，而仅通过目录列表内的一个映射来定义文件名称，这样就能够在相同或者不同目录中创建多个名称，每个均指向相同的i-node结点，称为硬链接。

$ ln abc xyz  // 名称abc和xyz指向相同的i-node条目
$ ls -li  // 显示i-node编号

仅当i-node的链接计数降为0时，也就是移除了文件的所有名字后，才会删除文件的i-node记录和数据块。

硬链接的两个缺点：

• 硬链接必须在同一文件系统中
• 不能为目录创建硬链接

符号（软）链接

软链接，是一种特殊的文件类型，其数据是另一个文件的名称。

ln -s  // 创建符号链接
ls -F  // 查看文件，符号链接的尾部标记@

符号链接的内容既可以是绝对路径，也可以是相对路径。

符号链接的地位不如硬链接，不会增加链接计数。

因为符号链接指代一个文件名，而非i-node编号，所以可以用其来链接不同文件系统中的一个文件，可以为目录创建符号链接

3、监控文件事件

某些应用程序需要对文件或目录进行监控，已侦测其是否发生了特定事件。守护进程可能也想要监控自己的配置文件，以了解其是否被修改