linux文件系统

linux文件系统最初为ext2，后面可能升级为了ext3或者ext4。我们window最常见的是NTFS，FAT32等。

1. 什么是文件系统

文件系统是管理文件的系统，讲了句废话。文件是存储在磁盘，磁盘是硬件。我们操作的是文件，最终会落到磁盘。我的理解为，文件系统是提供了一套文件管理规范，便于操作系统操作磁盘。

2. 磁盘简介

磁盘主要三部分硬件：

• 圆形的磁碟盘(主要记录资料的部分)
• 机械手臂，与在机械手臂上的磁碟读取头(可读写磁碟盘上的资料)；
• 主轴马达，可以转动磁碟盘，让机械手臂的读取头在磁碟盘上读写资料

linux中一切皆文件，磁盘的文件名如下定义：

• /dev/sd[a-p][1-128]：为实体磁盘的磁盘档名
• /dev/vd[a-d][1-128]：为虚拟磁盘的磁盘档名

3. 文件系统简介

linux文件系统主要由inode和block组成，inode记录文件的权限和属性，block记录数据。还有一个超级快superblock，具体描述如下：

• superblock：记录此 filesystem 的整体信息，包括inode/block的总量、使用量、剩余量， 以及文件系统的格式与相关信息等
• 记录文件的属性，一个文件占用一个inode，同时记录此文件的数据所在的 block 号码
• 实际记录文件的内容，若文件太大时，会占用多个 block
• inode和block格式化的时候大小和数量就被固定好了

4. block

• 原则上，block 的大小（一般是4k）与数量在格式化完就不能够再改变了(除非重新格式化)
• 每个 block 内最多只能够放置一个文件的数据（如果文件很小，那就浪费空间了，如果文件大于block大小，就好占用多个block）

5. inode

inode记录了文件的属性，主要包含：

• 最近一次的读取时间(atime)，最近修改的时间(mtime)，文件建立或状态改变的时间(ctime)
• 该文件的存取模式(read/write/excute)
• 该文件的拥有者与群组(owner/group)
• 文件容量
• 该文件真正内容的指向 (pointer)

inode本身有一些固定限制：

• 每个 inode 大小均固定为 128 bytes (新的 ext4 与 xfs 可设定到 256 bytes)
• 每个文件都仅会占用一个 inode 而已
• 承上，因此文件系统能够建立的文件数量与 inode 的数量有关
• 系统读取文件时需要先找到 inode，并分析 inode 所记录的权限与用户是否符合，若符合才能够开始实际读取 block 的内容

6. superblock

• block 与 inode 的总量
• 未使用与已使用的 inode / block 数量
• block 与 inode 的大小 (block 为 1, 2, 4K，inode 为 128bytes 或 256bytes)
• filesystem 的挂载时间、最近一次写入数据的时间、最近一次检验磁盘 (fsck) 的时间等文件系统的相关信息
• 一个 valid bit 数值，若此文件系统已被挂载，则 valid bit 为 0 ，若未被挂载，则 valid bit 为 1

7. dumpe2fs

查看superblock信息的shell命令，比如 dumpefs /dev/vda5

8. 与目录树关系

我们已经知道一个文件会占用一个inode和多个block。那么一个目录呢，一个目录会占用一个inode和至少一个block。inode记录这个目录的权限，block记录这个目录下面的内容，比如文件，就会包含文件名称和这个文件的inode号。如果是目录，也跟文件一样。
下面我们描述一下系统读取文件的过程，如图所示，我们要读取/etc/passwd文件内容：

image.png

用户身份为damon，是一个其他用户权限。过程如下：

1. / 的 inode： 透过挂载点的信息找到 inode 号码为 128 的根目录 inode，且 inode 规范的权限让我们可以读取该 block 的内容(有 r 与 x) ；
2. / 的 block： 经过上个步骤取得 block 的号码，并找到该内容有 etc/ 目录的 inode 号码 (33595521)；
3. etc/ 的 inode： 读取 33595521 号 inode 得知 dmtsai 具有 r 与 x 的权限，因此可以读取 etc/ 的 block 内容；
4. etc/ 的 block： 经过上个步骤取得 block 号码，并找到该内容有 passwd 文件的 inode 号码 (36628004)；
5. passwd 的 inode： 读取 36628004 号 inode 得知 dmtsai 具有 r 的权限，因此可以读取 passwd 的 block 内容；
6. passwd 的 block： 最后将该 block 内容的数据读出来。
   这一段是毫(t)无(b)修(z)改(c)的拷贝。如果看不懂，我通俗的讲一下，是一层一层的读取，通过inode判断是否有权限，和判断下一层的inode号。直到到达最后一层所需要读取的文件。

9. 创建文件

1. 先确定用户对于欲新增文件的目录是否具有 w 与 x 的权限，若有的话才能新增；
2. 根据 inode bitmap 找到没有使用的 inode 号码，并将新文件的权限/属性写入；
3. 根据 block bitmap 找到没有使用中的 block 号码，并将实际的数据写入 block 中，且更新 inode 的 block 指向数据；
4. 将刚刚写入的 inode 与 block 数据同步更新 inode bitmap 与 block bitmap，并更新 superblock 的内容。
   如果中间断点了，第四步没做怎么办，数据不一致了。linux也是采用比较通用的解决方案，记录日志的方式

10. 文件系统的运作

1.系统会将常用的文件数据放置到主存储器的缓冲区，以加速文件系统的读/写；
2.承上，因此 Linux 的物理内存最后都会被用光！这是正常的情况！可加速系统效能；
3.你可以手动使用 sync 来强迫内存中设定为 Dirty 的文件回写到磁盘中；
4.若正常关机时，关机指令会主动呼叫 sync 来将内存的数据回写入磁盘内；
5.但若不正常关机(如跳电、当机或其他不明原因)，由于数据尚未回写到磁盘内， 因此重新启动后可能会花很多时间在进行磁盘检验，甚至可能导致文件系统的损毁(非磁盘损毁)。