Linux--磁盘与文件管理——原理与实操双结合（磁盘的原理，新硬盘的管理，文件系统的创建及挂载、卸载文件系统）

前言

• 磁盘（disk）是指利用磁记录技术存储数据的存储器。磁盘是计算机主要的存储介质，可以存储大量的二进制数据，并且断电后也能保持数据不丢失。早期计算机使用的磁盘是软磁盘（soft disk，简称软盘），如今常用的磁盘是硬磁盘（hard disk，简称硬盘）。

• 文件系统是操作系统用于明确存储设备（常见的是磁盘，也有基于NAND Flash的固态硬盘）或分区上的文件的方法和数据结构；即在存储设备上组织文件的方法。

一：磁盘基础

硬盘（Hard Disk Driver，简称HDD）是计算机常用的存储设备之一。

1.1：磁盘结构

1.1.1：硬盘的物理结构

• 盘片：硬盘有多个盘片，每个盘片2面
• 磁头：每面一个磁头

1.1.2：硬盘的数据结构

• 扇区：盘面被分成多个扇形区域，每个扇区存放512个字节的数据

• PS：硬盘的第一个扇区，叫做引导扇区

• 磁道：同一盘片不同半径的同心圆（当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道（Track））

• 柱面：不同盘片相同半径构成的圆柱面（在有多个盘片构成的盘组中，由不同盘片的面，但处于同一半径圆的多个磁道组成的一个圆柱面（Cylinder））

• PS：固态硬盘：电子芯片存储，速度快，但是数据丢失无法恢复

• 机械硬盘：磁道存储，速度一般，数据丢失有几率恢复

1.1.3：存储容量

• 硬盘存储容量=磁头数 x 磁道（柱面）数 x 每道扇区数 x 每扇区字节数
• 可以用柱面/磁头/扇区来确定唯一定位磁盘上每一个区域
• 用fdisk -l查看分区信息

[root@localhost ~]# fdisk -l
    下面是详细信息
磁盘 /dev/sda：42.9 GB, 42949672960 字节，83886080 个扇区
Units = 扇区 of 1 * 512 = 512 bytes
扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节
I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节
磁盘标签类型：dos
磁盘标识符：0x000a58c6

   设备 Boot      Start         End      Blocks   Id  System            
/dev/sda1   *        2048    12584959     6291456   83  Linux         ' //这是引导分区'
/dev/sda2        12584960    54527999    20971520   83  Linux
/dev/sda3        54528000    62916607     4194304   82  Linux swap / Solaris
/dev/sda4        62916608    83886079    10484736    5  Extended
/dev/sda5        62918656    83886079    10483712   83  Linux

1.1.4：硬盘的接口

硬盘按照数据接口不同，分为以下几种（接口速率不是实际硬盘数据传输的速度）

• ATA（IDE（并口））：现在已经很少见到，逐渐被SATA所取代

• SATA（串口）：全称是Serial ATA，抗干扰性强，支持热插热拔等功能，速度快，纠错能力强。

• SCSI：全称是 Small Computer System Interface（小型机系统接口），SCSI硬盘广为工作站级个人电脑以及服务器所使用的，资料传输时CPU占用率较低，转速快，支持热插热拔等

• SAS（Serial Attached SCSI）：是新一代的SCSI技术，和SATA硬盘相同，都是采取序列式技术以获得更高的传输速度，可达到6Gb/s

1.2：MBR与磁盘分区表示

1.2.1：MBR

• MBR是主引导记录（Master Boot Record），位于硬盘第一个物理扇区处（引导扇区）
• MBR中包含硬盘的主引导程序和硬盘分区表。分区表有4个分区记录区，每个分区记录区占16个字节
• MBR最多四个分区，可创建逻辑分区

1.2.2：磁盘分区的表示

常见的硬盘可以划分为主分区，扩展分区和逻辑分区，通常情况下主分区只有四个，而扩展分区可以看成是一个特殊的主分区类型，在扩展分区中可以建立逻辑分区。

主分区一般用来安装操作系统，扩展分区则多用来存储文件数据（不能直接存储数据，存储在逻辑分区上）。

• Linux中将硬盘，分区等设备均表示为文件
• 硬盘：对于IDE接口的硬盘设备，表示为“hdX”形式的文件名。而对于SCSI接口的硬盘设备，则表示为“sdX”形式的文件名。其中"X"可以为a，b，c，d等字母序号。例如：将系统中的第一个IDE设备（硬盘）表示为“hda”，将第二个SCSI设备表示为“sdb”
• 分区：表示分区时，以硬盘设备的文件名作为基础，然后在后面添加该分区（主分区，扩展分区，逻辑分区）对应的数字序号即可。例如：第一个IDE硬盘中的第一个分区表示为"hda1"，第二个分区表示为"hda2"。第二个SCSI硬盘中的第三个分区表示为"sdb3"，第五个分区表示为"sdb5"
• PS：硬盘中的主分区数目只有4个
• 因此主分区和扩展分区的序号也就限制在1-4
• 扩展分区再分为逻辑分区
• 逻辑分区的序号将始终从5开始

1.2.3：Linux系统中使用的文件系统类型

文件系统（File System）类型决定了向分区中存放，读取文件数据的方式和效率，在对分区进行格式化的时候需要选择所用的文件系统类型

在Windows操作系统中，经常使用的文件系统类型包括FAT32 , NTFS等格式

Linux系统中，主要使用以下几种格式

• EXT4文件系统：

1.存放文件和目录数据的分区

2.高性能的日志型文件系统

3.CentOS 6系统中默认使用的文件系统

• SWAP，交换文件系统

1.为Linux系统建立的交换分区

2.交换分区相当于虚拟内存，能够在一定程度上缓解物理内存不足的问题

3.一般建议将交换分区的大小设置为物理内存的1.5-2倍。

• Linux支持的其它文件系统类型

1.FAT16 , FAT32 , NTFS

2.EXT4 M JFS …

• XFS

1.开启了日志功能，即使发生宕机也不怕数据遭到破坏，可以根据日志记录在短时间内进行数据恢复。

2.高性能的日志文件系统，特别擅长处理大文件，可支持上百万T字节的存储空间

3.CentOS 7系统默认使用XFS文件系统

二：检测并确认新硬盘

在Linux服务器中，当现有硬盘的分区规划不能满足要求（例如，根分区的剩余空间过少，无法继续安装新的系统程序）时，就需要对硬盘中的分区进行重新规划和调整，有时候还需要添加新的硬盘设备来扩展存储空间

实现上述操作需要用到fdisk磁盘及分区管理工具，fdisk是大多数Linux系统中自带的基本工具之一。

分区对应的系统ID号中，83表示Linux中的EXT4分区，8e 表示LVM逻辑卷，82表示SWAP交换分区

2.1：fdisk 命令–查看或管理磁盘分区

在硬盘设备中创建，删除，更改分区等操作同样通过fdisk命令进行，主要使用硬盘的设备文件作为参数。

fdisk -l [磁盘设备]
或
fdisk [磁盘设备]
查看时，带有“*”标识的是引导分区

fdisk /dev/sdb  进入交互式的分区管理界面
常用指令
p		列出硬盘中的分区情况，信息显示的格式与执行"fdisk -l"命令相同
n		创建新分区
d		删除分区
t		变更分区类型，转换格式
w		保持配置
q		退出
l       查看分区对应的系统ID号

命令举例
[root@localhost ~]# fdisk /dev/sda1
欢迎使用 fdisk (util-linux 2.23.2)。

更改将停留在内存中，直到您决定将更改写入磁盘。
使用写入命令前请三思。

Device does not contain a recognized partition table
使用磁盘标识符 0x3556a5c2 创建新的 DOS 磁盘标签。

命令(输入 m 获取帮助)：m
命令操作
   a   toggle a bootable flag
   b   edit bsd disklabel
   c   toggle the dos compatibility flag
   d   delete a partition
   g   create a new empty GPT partition table
   G   create an IRIX (SGI) partition table
   l   list known partition types
   m   print this menu
   n   add a new partition
   o   create a new empty DOS partition table
   p   print the partition table
   q   quit without saving changes
   s   create a new empty Sun disklabel
   t   change a partition's system id
   u   change display/entry units
   v   verify the partition table
   w   write table to disk and exit
   x   extra functionality (experts only)


这么多指令，我们就可以输入指令实现自己的要求。

2.2：使用“n”命令

• 使用“n”命令可以进行创建分区的操作，包括主分区和扩展分区。
  根据提示输入“p”选择创建主分区。

输入“e”选择创建扩展分区。

之后依次选择分区序号，起始位置，结束为止或分区大小即可完成新分区的创建。

• 选择分区号时，主分区和扩展分区的序号只能为1-4，分区起始位置一般有fdisk默认识别即可，结束位置或大小可以使用’’+sizeM‘或“+sizeG”的形式。如“+20G”表示将该分区的容量设置为20GB。

例如：创建分区/dev/sdb1
[root@hostname ~]# fdisk /dev/sdb		'//先用fdisk命令工具进入交互式的分区管理界面'
欢迎使用 fdisk (util-linux 2.23.2)。

更改将停留在内存中，直到您决定将更改写入磁盘。
使用写入命令前请三思。

Device does not contain a recognized partition table
使用磁盘标识符 0x227f39cd 创建新的 DOS 磁盘标签。

命令(输入 m 获取帮助)：n					'//开始创建分区'
Partition type:
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended
Select (default p): 					'//直接回车，接受默认p：创建主分区'
Using default response p
分区号 (1-4，默认 1)：						'//直接回车，接受默认值1，主分区的编号为1'
起始 扇区 (2048-41943039，默认为 2048)：		'//直接回车，接受默认扇区大小2048'
将使用默认值 2048
Last 扇区, +扇区 or +size [K,M,G] (2048-41943039，默认为 41943039)：		'//直接回车，将所有空间分配给创建的分区'
将使用默认值 41943039
分区 1 已设置为 Linux 类型，大小设为 20 GiB
命令(输入 m 获取帮助)：t						'//设置分区对应的ID号：82代表设置为交换文件系统'
已选择分区 1
Hex 代码(输入 L 列出所有代码)：82
已将分区“Linux”的类型更改为“Linux swap / Solaris”

命令(输入 m 获取帮助)：p						'//查看分区情况'

磁盘 /dev/sdb：21.5 GB, 21474836480 字节，41943040 个扇区
Units = 扇区 of 1 * 512 = 512 bytes
扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节
I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节
磁盘标签类型：dos
磁盘标识符：0x227f39cd

   设备 Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1            2048    41943039    20970496   82  Linux swap / Solaris
命令(输入 m 获取帮助)：wq				//保存退出

三：创建文件系统

创建文件系统的过程也是格式化分区的过程，在Linux系统中使用mkfs（Make Filesystem，创建文件系统）命令格式可以格式化XFS , EXT4 ,FAT等不同类型的分区，而使用mkswap命令可以格式化Swap交换分区。

3.1：mkfs命令

[root@hostname ~]# ls /sbin/mkfs*
/sbin/mkfs         /sbin/mkfs.ext2  /sbin/mkfs.fat    /sbin/mkfs.vfat
/sbin/mkfs.btrfs   /sbin/mkfs.ext3  /sbin/mkfs.minix  /sbin/mkfs.xfs
/sbin/mkfs.cramfs  /sbin/mkfs.ext4  /sbin/mkfs.msdos

• mkfs命令：Make Filesystem，创建文件系统(格式化)

mkfs命令使用格式
mkfs -t 文件系统类型 分区设备

• CentOS7默认xfs文件系统类型，所以我们现在常用这条命令

 -[root@localhost ~]# mkfs.xfs /dev/卷组名/逻辑卷名

创建EXT4文件系统时，结合"-t ext4"选项指定类型，并指定要被格式化的分区设备即可
例如：将分区 /dev/sdb2 格式化为EXT4文件系统

[root@hostname ~]# mkfs -t ext4 /dev/sda2

 创建FAT32文件系统

一般来说，不建议在Linux系统中创建或使用Windows中的文件系统类型，包括FAT16 , FAT32等，一些特殊情况，如Windows系统不可用，U盘系统被饼图破坏等除外。

若要在Linux系统中创建FAT32文件系统，可结合’-t  vfat’选项指定类型，并添加’-F 32’选项指定FAT的版本。

例如，将分区 /dev/sdb6 格式化为FAT32文件系统（先通过fdisk工具添加/dev/sdb6分区，并且将ID号设为6）
[root@hostname ~]# mkfs -t vfat -F 32 /dev/sdb6
或者
[root@hostname ~]# mkfs.vfat -F 32 /dev/sdb6
两个命令是一个意思	

3.2：mkswap命令

在Linux系统中，Swap分区的作用类似于Windows系统中的“虚拟内存”，可以在一定程度上缓解物理内存不足的情况。在当前Linux主机运行的服务较多，需要更多的交换空间支撑应用时，可以为其增加新的交换分区。

使用mkswap命令工具可以在指定的分区上创建交换文件系统，目标分区应先通过fdisk工具将ID号设为82。

• make swap：创建交换文件系统

命令使用的格式
mkswap 分区设备
cat /proc/meminfo | grep "SwapTotal"    ' //查看总交换空间大小'
swapon /dev/sdb1						'//开启交换分区/dev/sdb1'
swapoff /dev/sdb1					'	//关闭交换分区/dev/sdb1'

例如：将分区/dev/sdb1创建为交换分区（先用fdisk命令工具将ID号设为82）
[root@hostname ~]# fdisk /dev/sdb		'//先用fdisk命令工具进入交互式的分区管理界面'
欢迎使用 fdisk (util-linux 2.23.2)。

更改将停留在内存中，直到您决定将更改写入磁盘。
使用写入命令前请三思。

Device does not contain a recognized partition table
使用磁盘标识符 0x227f39cd 创建新的 DOS 磁盘标签。

命令(输入 m 获取帮助)：n					'//开始创建分区'
Partition type:
   p   primary (0 primary, 0 extended, 4 free)
   e   extended
Select (default p): 					'//直接回车，接受默认p：创建主分区'
Using default response p
分区号 (1-4，默认 1)：						'//直接回车，接受默认值1，主分区的编号为1'
起始 扇区 (2048-41943039，默认为 2048)：		'//直接回车，接受默认扇区大小2048'
将使用默认值 2048
Last 扇区, +扇区 or +size[K,M,G] (2048-41943039，默认为 41943039)：		'//直接回车，将所有空间分配给创建的分区'
将使用默认值 41943039
分区 1 已设置为 Linux 类型，大小设为 20 GiB
命令(输入 m 获取帮助)：t						'//设置分区对应的ID号：82代表设置为交换文件系统'
已选择分区 1
Hex 代码(输入 L 列出所有代码)：82
已将分区“Linux”的类型更改为“Linux swap / Solaris”

命令(输入 m 获取帮助)：p						'//查看分区情况'

磁盘 /dev/sdb：21.5 GB, 21474836480 字节，41943040 个扇区
Units = 扇区 of 1 * 512 = 512 bytes
扇区大小(逻辑/物理)：512 字节 / 512 字节
I/O 大小(最小/最佳)：512 字节 / 512 字节
磁盘标签类型：dos
磁盘标识符：0x227f39cd

   设备 Boot      Start         End      Blocks   Id  System
/dev/sdb1            2048    41943039    20970496   82  Linux swap / Solaris
命令(输入 m 获取帮助)：w			'//保存退出'
[root@hostname ~]# mkswap /dev/sdb1				'//将分区/dev/sdb1创建为交换分区'
正在设置交换空间版本 1，大小 = 20970492 KiB
无标签，UUID=5736a379-3e6c-4e12-9a5c-78cb6a586cf7
[root@hostname ~]# cat /proc/meminfo | grep "SwapTotal"		'//查看总交换空间的大小'
SwapTotal:       4194300 kB									'//原本是4G多'
[root@hostname ~]# swapon /dev/sdb1							'//开启交换分区/dev/sdb1'
[root@hostname ~]# cat /proc/meminfo | grep "SwapTotal"		'//再次查看总交换空间的大小'
SwapTotal:      25164792 kB									'//现在变成了25G'
[root@hostname ~]# swapoff /dev/sdb1						'//关闭交换分区 /dev/sdb1'
[root@hostname ~]# cat /proc/meminfo | grep "SwapTotal"		'//再次查看总交换空间大小'
SwapTotal:       4194300 kB									'//交换空间变成了原来的4G多'

四：挂载，卸载文件系统

在Linux系统中，对各种存储设备中的资源访问（如读取，保存文件等）都是通过目录结构进行的，虽然系统核心能够通过“设备文件”的方式操纵各种设备，但是对于用户来说，还需要增加一个“挂载”的过程，才能像正常访问目录一样访问存储设备中的资源。

当然，在安装Linux操作系统的过程中，自动建立或识别的分区通常会由系统自动完成挂载，如“/”分区，“boot”分区等。然而对于后来新增加的硬盘分区，光盘等设备，有时候还需要管理员手动进行挂载，实际上用户访问的是经过格式化后建立的文件系统。挂载一个分区时，必须为其制定一个目录作为挂靠点（或称为挂载点），用户通过这个目录访问设备中 的文件，目录数据。

4.1：mount命令–挂载文件系统

• 挂载文件系统个，ISO镜像到指定文件夹

mount命令基本格式
mount          显示当前系统中已挂载的各个分区（文件系统）的相关信息，最近挂载的文件信息将显示在最后面
mount [-t 文件系统类型] 存储设备 挂载点目录
mount -o loop ISO镜像文件 挂载点目录
mount -a  将现在所有能挂载的都挂载

• 文件系统类型通常可以省略，系统会自动识别

• 存储设备即对应分区的设备文件名（如/dev/sdb1 , /dev/cdrom)或网络资源路径

• 挂载点即用户指定用于挂载的目录

• 光盘对应的设备文件通常使用’/dev/cdrom’，其实这是一个连接文件，连接到实际的光盘设备’/dev/sr0’。这两个名称都表示光盘设备。由于光盘是只读的存储介质，因此在挂载时系统会出现’mounting read-only’的提示信息。

例如，将光盘设备挂载到/media/cdrom目录 
[root@hostname ~]#mount /dev/cdrom /media/cdrom

• 挂载Linux分区或U盘设备时的用法也一样，只需要指定正确的设备位置和挂载目录即可。

例如：将/dev/sdb1分区挂载到新建的/ccc目录下
[root@hostname ~]#mkdir /ccc
[root@hostname ~]#mount /dev/sdb1 /ccc

• 在Linux系统中，U盘设备被模拟成SCSI设备，因此与挂载普通的SCSI硬盘中的分区并没有明显的区别。U盘一般使用FAT16或FAT32的文件系统，若不确定U盘设备文件的位置，可以先执行‘fdisk -l’命令进行查看，确认。

例如：将位于/dev/sdc1的U盘设备挂载到新建的/ccc/usbdisk目录下
[root@hostname ~]#mkdir /ccc/usbdisk
[root@hostname ~]#mount /dev/sdc1 /ccc/usbdisk

• proc，sysfs，tmpfs等文件系统是Linux运行所需要的的临时文件系统，并没有实际的硬盘分区与其相对应，因此也成为了’伪文件系统’。

例如：proc文件系统实际上映射了内存及CPU寄存器中的部分数据

• 在实际工作中，可能会经常从互联网中下载一些软件或应用系统的ISO镜像文件，在无法刻录光盘的情况下，需要将其解压后才能浏览，使用其中的文件数据。若使用mount挂载命令，则无需解开文件包即可浏览，使用ISO镜像文件中的数据。

ISO镜像文件通常被视为一种特殊的“回环”文件系统，因此在挂载时需要添加“-o loop”选项

例如：将下载的CentOS系统的DVD光盘镜像文件“CentOS-7-x86_64-DVD-1611.iso”挂载到/media/mnt目录下。
[root@hostname ~]#mount -o loop CentOS-7-x86_64-DVD-1611.iso /media/mnt

4.2：umount命令–卸载文件系统

卸载文件系统时，使用挂在单目录或对应设备的文件名作为卸载参数。

Linux系统中，由于同一个设备可以被挂载到多个目录下，所以一般建议通过挂载点的目录位置来进行卸载。

• umount命令–卸载已挂载的文件系统

使用命令的基本格式
umount 存储设备位置
umount 挂载点目录

例如：通过umount命令卸载之前挂载的Linux分区，光盘设备
[root@hostname ~]#umount /ccc				'//通过挂载点目录卸载对应的分区'
[root@hostname ~]#umount /dev/cdrom			'//通过设备文件卸载光盘'

4.3：设置文件系统的自动挂载

• 系统中的/etc/fstab文件可以视为mount命令的配置文件，其中存储了文件系统的静态挂载数据，Linux系统在每次开机时，会自动读取这个文件的内容，自动挂载所指定的文件系统。

• 默认的fstab文件中包括了根分区，/boot分区，交换分区及proc，tmpfs等伪文件系统的挂载配置。

• 在/etc/fstab文件中，每一行记录对应一个分区或设备的挂载配置信息，从左到右包括六个字段，含义如下

字段	解释
第一字段	分区/设备名/设备卷标名
第二字段	挂载点，文件系统的挂载点目录的位置
第三字段	文件系统类型，如xfs，Swap等
第四字段	挂载参数（包括权限和功能），即mount命令“-o”选项后可使用的参数。例如：default，rw，ro，noexec分别表示默认参数，可写，只读，禁用执行程序。
第五字段	表示文件系统是否需要dump备份（dump是一个备份工具），设为1时表示需要，设为0时将被dump忽略
第六字段	该字段用于决定系统启动时进行磁盘检查的顺序。0：不进行检查。1：优先检查。2：其次检查、对于根分区应设为1，其他分区设为2.

• 通过在“/etc/fstab”文件中添加相应的挂载配置，可以实现开机后自动挂载指定的分区。

例如，添加自动挂载分区/dev/sdb1的配置
[root@hostname ~]# vi /etc/fstab
...//省略部分内容
/dev/sdb1       /ccc    xfs    default  0 0

4.4：df命令–查看磁盘使用情况

• 不带选项和参数的mount命令可以显示分区的挂载情况，若要了解系统中已经挂载各文件系统的磁盘使用情况（如剩余磁盘空间等），可以使用df命令。

• df命令使用文件或者设备作为命令参数，较常用的选项为“-h”"-T"。其中，“-h”选项可以显示更容易读的容量单位，而“-T”选项用于显示对应文件系统的类型。

例如：执行“df -hT”命令可以查看当前系统中挂载的各文件系统的磁盘使用情况
[root@hostname ~]# df -hT
文件系统       类型      容量  已用  可用 已用% 挂载点
/dev/sda2      xfs        20G  3.3G   17G   17% /
devtmpfs       devtmpfs  898M     0  898M    0% /dev
tmpfs          tmpfs     912M     0  912M    0% /dev/shm
tmpfs          tmpfs     912M  9.0M  903M    1% /run
tmpfs          tmpfs     912M     0  912M    0% /sys/fs/cgroup
/dev/sda5      xfs        10G   37M   10G    1% /home
/dev/sda1      xfs       6.0G  174M  5.9G    3% /boot
tmpfs          tmpfs     183M   12K  183M    1% /run/user/42
tmpfs          tmpfs     183M     0  183M    0% /run/user/0