＜Linux基础I/O（2）＞——《Linux》

目录

1.文件系统 

1.1 磁盘相关概念

1.2 inode

1.3 理解硬链接

1.4 理解软链接

1.5 软硬链接的区别：

1.6 写一段程序测试：​

1.7 acm

后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知

磁盘物理结构GIF：

1.文件系统 

在Linux中，我们知道“Linux一切皆文件”，而不是所有的文件都会打开 。大量的文件，就在磁盘上，这些文件非常多、杂、乱。那么磁盘是如何进行管理的呢？

那我们先了解一下磁盘：

1.1 磁盘相关概念

磁盘的物理结构：（图片源于网络） 

磁盘是我们电脑上的一个机械设备（目前的笔记本电脑多采用SSD）。

（图片源于网络）

磁盘的存储结构：（图片源于网络） 

 

 磁盘上存储的基本单位是扇区。可以了解一下磁盘的寻址方式（例如：CHS寻址方式）。

磁盘的逻辑抽象结构：

将盘片想象成线性的结构，比如当做数组。那么对磁盘的管理转化成为了对数组空间的管理。这就转到了操作系统的LBA逻辑块地址。这就运用了之前的先描述、再组织的方式。

比如：逻辑地址快LBA：3234，假设有4面磁盘片面，数据总大小为4000，则每面1000，假设每面有20个磁道。

3234/1000=3 即在第3面

3234%1000=234

234/20=11

234%20=14

CHS寻址：

C：11

H：3

S：14

磁盘的基本单位是：扇区（常规是512字节）

文件系统访问磁盘的基本单位是：4KB

为什么会设置成这样？

1.提高I/O效率

2.不要让软件（OS）设计和硬件（磁盘）具有强相关性，换句话说，就是解耦合！

我们之前说过，文件=内容+属性。这两个都是数据，都要存储，而Linux采用的是将内容和属性数据分开存储的方案！

• 内容存储在block中，其大小为4KB，且会随着使用可能不断增多；
• 属性存储在inode中，inode就是磁盘上的另一份空间，其大小为128B，并且文件的属性是稳定的！即使后面会改动，也只是在数值上改动，其属性一般不会改动!

  

1.2 inode

为了能解释清楚inode我们先简单了解一下文件系统： 

Linux ext2 文件系统，上图为磁盘文件系统图（内核内存映像肯定有所不同），磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block 。一个 block 的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如 mke2fs 的 -b 选项可以设定block 大小为 1024 、 2048 或 4096 字节。而上图中启动块（ Boot Block ）的大小是确定的

 

• Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。政府管理各区的例子。
• 超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了
• GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息，有兴趣的同学可以在了解一下
• 块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用
• inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
• i节点表:存放文件属性 如 文件大小，所有者，最近修改时间等
• 数据区：存放文件内容

 

将属性和数据分开存放的想法看起来很简单，但实际上是如何工作的呢？我们通过 touch 一个新文件来看看如何工 作。

[root@localhost linux]# touch abc
[root@localhost linux]# ls -i abc
263466 abc

为了说明问题，我们将上图简化：

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

查看一个文件的inode：

1.那么一个inode（文件，属性）如何 和 属于自己的内容关联起来呢？
   在inode 中有描述inode的struct inode{
                                        //文件的所有属性
                                        blocks[15]: //假设大小为15
                                        }
[0,11]:直接保存的就是该文件对应的blocks编号！
[12,15]:指向一个Data block，但是这个Data block不保存有效数据，而保存该文件所使用的其他块的编号！

2.其实在Data blocks中，也有4KB大小可以保存其他块的编号！
如果相当于二级索引，如果实在不够，那可以再开辟一块，三级索引！

3.文件名是文件的属性吗？
    是，但inode里面并不保存文件名！换句话说，Linux，底层实际上是通过inode编号标识文件的！

4.要找到文件，必须找到文件的inode 编号！

关于目录权限问题的回顾：
进入目录：x权限
创建文件：w权限
查看文件：r权限

1.当我们创建一个文件，OS做了什么？
通过文件名：inode编号—>找到自己所处的目录—>根据目录的inode，找到目录的Data blocks —>将文件名和inode编号的映射关系写入到目录的数据块中！

2.当我们删除一个文件，OS做了什么？
   找到自己写入时的标记，然后找到inode Bitmap和block Bitmap将其由1置为0.其实OS并没有真正的清楚数据！Linux通过日志的方式记录inode编号，如果想要恢复数据也是可以的，但麻烦！

3.如果知道所处的目录，就能知道目录的inode吗？

不能，因为本级目录的inode存储在上级相应的空间中，而上级存储在上上级，因此最终追溯到根目录！

我们使用 ls -l 的时候看到的除了看到文件名，还看到了文件元数据。

[root@localhost linux]# ls -l
总用量 12
-rwxr-xr-x. 1 root root 7438 "9月 13 14:56" a.out
-rw-r--r--. 1 root root 654 "9月 13 14:56" test.c

每行包含 7 列：

• 模式
• 硬链接数
• 文件所有者
• 组
• 大小
• 最后修改时间
• 文件名

stat 命令能够看到更多信息

[root@localhost linux]# stat test.c
 File: "test.c"
 Size: 654       Blocks: 8         IO Block: 4096   普通文件
Device: 802h/2050d Inode: 263715     Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: (   0/   root)   Gid: (   0/   root)
Access: 2017-09-13 14:56:57.059012947 +0800
Modify: 2017-09-13 14:56:40.067012944 +0800
Change: 2017-09-13 14:56:40.069012948 +0800

上面的执行结果有几个信息需要解释清楚

1.3 理解硬链接

我们看到，真正找到磁盘上文件的并不是文件名，而是 inode 。 其实在 linux 中可以让多个文件名对应于同一个 inode。

[root@localhost linux]# touch abc
[root@localhost linux]# ln abc def
[root@localhost linux]# ls -1i abc def 263466 abc 263466 def

abc 和 def 的链接状态完全相同，他们被称为指向文件的硬链接。内核记录了这个连接数， inode 263466 的硬连接数为 2 。

我们在删除文件时干了两件事情： 1. 在目录中将对应的记录删除， 2. 将硬连接数 -1 ，如果为 0 ，则将对应 的磁盘释放。

1.4 理解软链接

硬链接是通过 inode 引用另外一个文件，软链接是通过名字引用另外一个文件，在 shell 中的做法

263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9月 15 17:45 abc
261678 lrwxrwxrwx. 1 root root 3 9月 15 17:53 abc.s -> abc
263563 -rw-r--r--. 2 root root 0 9月 15 17:45 def

1.5 软硬链接的区别：

软链接是一个独立文件，有自己的inode和inode编号。换句话说，是Linux下的快捷方式！

硬链接和目标文件使用的是同一个inode，就是单纯的在Linux指定的目录下，给指定的文件新增文件名和inode编号的映射关系！

1.6 写一段程序测试：

  

硬链接数： 

 硬链接用于路径切换！

为什么创建普通文件，硬链接数默认是1？

因为，普通文件的文件名，本身就和自己的inode具有映射关系，只有一个！ 

因此可以根据硬链接数估算文件里的目录个数！ 

1.7 acm

下面解释一下文件的三个时间：

Access 最后访问时间

Modify 文件内容最后修改时间

Change 属性最后修改时间

后记：
●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！

                                                                           ——By 作者：新晓·故知