【Linux】15. 文件系统与软硬链接

1. 文件系统的引出

在之前的学习过程当中，我们知道当文件被打开后需要加载进内存，第一步为其创建struct file结构体描述其结构(操作系统需要管理被打开的文件：先描述再组织)，在通过进程当中的文件描述符指针指向文件描述符表，根据文件描述符的分配规则给新打开的文件分配文件描述符，那么此时进程就通过文件描述符和文件建立起联系。
进程与文件关系的博客链接
当我们进行文件操作时，例如写入文件就需要先将数据拷贝进C语言封装的文件缓冲区，再拷贝进内核缓冲区，最后再写入到外设(磁盘)当中…
文件缓冲区的博客链接
而以上这些操作都是进程与被打开文件之间的关系，那么对于未打开的文件，操作系统是不是也需要进行管理操作呢？
没有被打开的文件都只能安静的在磁盘上存放着，磁盘上存在大量文件需要被OS静态管理起来，方便我们随时打开 – 这就是文件系统的作用

2. 硬件结构的学习

在详细描述文件系统之前，需要我们对硬件有一定程度的了解，下面咱们就来简单认识一下吧！！！

2.1 磁盘的物理结构

目前在笔记本当中已经很少见到使用磁盘来作为存储结构了，大多数都是固态硬盘(同等存储量固态硬盘的价格要高于机械硬盘，固态硬盘的访问速度更快)
但是在企业当中还是通常使用磁盘来作为数据存储的主流，因为固态硬盘还存在访问次数的限制(访问次数过多可能会造成击穿现象)
而且磁盘的造价更低
磁盘是属于计算机结构当中的唯一一个机械结构！！！
而且磁盘是外设，这二者结合起来导致硬盘的访问速度非常低(跟CPU相较而言)

盘面此时在高速旋转，磁头也在不停摆动
但是盘面和磁头不接触(盘面上存储的就是大量的数据，一旦磁头和盘面进行接触，可能会刮花盘面，导致数据丢失)
可以通过小时候使用的光盘来理解，光盘只有一面有数据，一旦刮花光盘播放起来就很卡(掉帧 – 数据丢失)
所以，磁盘对无尘环境的要求很高，一旦出现灰尘与盘面或者磁头发生碰撞，都可能导致磁盘的损坏

2.2 磁盘的存储结构

磁盘的盘面的转速很快，通常可能达到1w转1s，这么快的标准是什么，需要让磁头快速定位到磁道和扇区，在单位时间内(非常短：1s/1w)将该扇区的数据全部读出

2.3 磁盘的逻辑结构

为何OS要对磁盘进行逻辑抽象呢？直接用CHS寻址不行吗？

1. 方便管理
2. 不想让操作系统的代码和硬件强耦合(当磁盘切换成固态硬盘，这套管理方法也能适用，但是CHS就不行啦!)

虽然对应的磁盘访问的基本单位(扇区)是512字节，但是依旧很小，OS内的文件系统定制的进行多个扇区的读取都是以1KB或者2KB或者4KB(通常是以4KB)为基本单位。即便你只是单纯的想要读取或者修改1个比特位，也必须将4KB的空间加载进内存进行读取或者修改，再重新将这些数据写回磁盘
那么这种写入方式不是非常浪费内存空间吗？为啥操作系统会这样操作呢？
因为局部性原理的原因:
局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中。通俗来讲，就是CPU访问该字节，那么极大概率会访问该字节前后的数据
所以，直接将这一块的数据全部加载进内存也能提高CPU访问数据的效率
内存是被划分成为4KB大小空间(页框) 磁盘当中的文件尤其是可执行文件也是按照4KB大小来划分的(页帧)

3. 文件系统

创建/删除文件操作

创建文件：1. 在inode位图结构当中将对应的比特位由0置1，根据inode找到inode table ，将文件的属性填入。
2. 将数据写入data block当中，建立inode和data block的映射关系
3. 最后返回inode编号
删除文件：1. 找到inode编号在inode bitmap当中的位置将其由1置0即可，数据块当中的bitmap位置也由1置0(惰性删除)

删除后恢复

文件删除后是可以恢复的，只需要将inode编号得到，将inode bitmap当中的比特位由0置1，再找到inode和数据块之间的映射关系
将data block中的比特位由0置1… 但是Linux当中恢复文件比较复杂
(不小心误删文件，什么都别做 再新建写入文件就真正删除)

目录也是文件

当我们自己在使用shell时，查找文件都是使用文件名，并不是inode ，文件名和inode之间存在什么关系嘛？
任何一个文件肯定在目录下，同样的，目录也是文件，也必然存在inode(文件属性)和数据块
目录的数据块当中存放什么内容呢？
目录里面存放的是文件名和inode的映射关系！！！
所以，我们在日常过程中使用ls，一定是查找当前目录下的数据块当中文件名，将inode和文件名之间的映射关系提取出来
同一目录下不能存在同名文件，文件名在当前目录下就属于唯一key值，通过文件名就可以索引到inode

之前的学习过程中，要在目录下新建文件必须要有该目录的写入权限，这是为何？
因为要新建文件就必须要往该目录的数据块当中写入文件名和inode的映射关系

创建一个新文件主要有一下4个操作：

1. 存储属性
   内核先找到一个空闲的i节点（这里是263466）。内核把文件信息记录到其中。
2. 存储数据
   该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300,500，800。将内核缓冲区的第一块数据
   复制到300，下一块复制到500，以此类推。
3. 记录分配情况
   文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表。
4. 添加文件名到目录
   新的文件名abc。linux如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口（263466，abc）添加到目录文
   件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。

4. 软硬链接