Linux——文件系统

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💬<4>前言：上期我们了解了文件在内存中得组织方式，那么文件在磁盘中又是如何管理得呢？

目录

一.磁盘物理的结构

二.磁盘的逻辑结构

三.文件系统

四Linux文件属性

五.软硬链接

1.软链接

2.硬链接

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一.磁盘物理的结构

磁盘是我们计算机上唯一的一个机械设备。

 说明：

1. 这里的盘片有好几层，双面，每一面都会有一个磁头。
2. 盘面上很多的微型磁体，使用磁体的N/S极，存储0/1数据。

抽象图：

说明：

1. 可以将每一个盘面看成上述的一个抽象图，一圈圈的排布的。
2. 每一圈叫做一个磁道。
3. 每一圈的磁道，有多个小扇形组成，叫做扇区。
4. 多个磁道在竖直方向上形成一个面，叫做柱面。
5. 一般的磁盘每一个扇区，存储大小512字节。

磁盘如何定位：

1. 每一个磁头（head）都有一个编号，依次可以定位到一个面。
2. 根据上下多个磁道形成的柱面，结合磁道（cylinder）的半径可以准确的定位到一个柱面。
3. 一个磁道（sector）上的扇区都是有编号的。

总结：

我们成中定位方式定位一个扇区叫做：CHS定位法。

一个普通文件（属性+数据）无非就是占用一个或者多个扇区，来进行自己的数据存储的！

二.磁盘的逻辑结构

上面我们得知，磁盘定位一个扇区，可通过CHS方式定位。

那么操作系统内部是不是使用的CHS方式定位一个扇区的呢？不是

因为操作系统要想做到解工作，如果我们换了一套硬件磁盘存储方案，操作系统又要跟着改。

即便是一个扇区已经有了512字节，单位IO的基本数量也是很小的，而在OS内部依次IO的基本单位是块——4KB（可以调整），所以OS一定要有一套自己的方案，来进行块级别的访问。

在OS看来：

OS以4KB（块）进行IO的，一个OS级别的文件块要包含8个扇区。

操作系统是使用数组对块的组织，那么OS对磁道的也会抽象数组。数组的每一个成员就是一个扇区。

此时定位一个扇区，就可以直接使用数组下标了。

定位任意一个块也是同样使用数组下标的特性来定位。

我们成这种定位一个方式叫做LBA。

操作系统也会提供LBA转CHS的算法，支持逻辑地址转换成物理地址。

三.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。 

Boot Block：

1. 一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。可以设定block大小为1024、2048或4096字节。上图中启动块的大小就是用Boot Block来确定的。

Block Group：

1. 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。 

超级块（Super Block）：

1. 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。
2. Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。
3. 从Super Block存储的结构信息结合分租来看，其实Super Block存储的信息应该都是一样的，但是Super Block是每一个分组都会有的一份。
4. 目的是返防止Super Block被破坏。去过某一个分组的Super Block出现故障，可以使用其他分组的Super Block来进行修复。

Group Descriptor Table：

1. 块组描述符，描述块组属性信息。

Date Blocks：

1. linux下是将文件的属性和数据分开存储的，Date Blocks就是文件数据存储地。
2. 一个文件属性大小都是固定的，数据是不固定的往往也是占据空间最大的。
3. 一个分组中占据空间嘴大的也是Date Blocks，Date Blocks有很多个块（4KB）组成。

Block Bitmap：

1. Date Blocks中有很多的块，而且块是使用数组的方式进行组织的。
2. Block bitmap是一个位图结构，Date Blocks中每一个块的下标，都对应着BIock bitmap的一个位置，用于记录块是否被使用。

inode Table：

1. 一般而言，一个文件内部的所有数据会被放进Date Blocks，而内部的属性的集合一般会有一种特性的结构来存储，我们叫做inode结点。
2. 且每一个文件都会有一个inode结点，inode结点内部存储了在该分区内标识该文件的唯一编号，我们称之为inode编号，也就是对应文件的属性ID。
3. 所以即使是一个分区内部都会有很多的文件，也就会有会多的inode结点，一个group，需要有一个地方专门存放这些结点，这个存储结点的地方我们称之为inode Table，inode表。

inode Bitmap：

1. 一个分组的inode结点数往往是固定的，所以我们需要能标识每一个inode结点是否被使用了，inode Bitmap每一个bit位就是标识一个inode是否被使用。

四Linux文件属性

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:

从左往右依次是：权限模式，硬连接数，文件按的拥有者，文件的所属组，文件大小，最后修改时间，文件名。

其实这个信息除了通过这种方式来读取，还有一个stat命令能够看到更多信息：

stat [文件名]

 我们能够清楚的看到：

1. File:文件名。
2. Size:文件大小。
3. Blocks:文件所占块数。
4. IO Block：块大小。
5. Inode：inode编号。
6. Links：硬连接数。
7. Access:最近访问时间（不会立即更新）。
8. Modify:最近修改内容时间（立即更新）。
9. Change：最近修改属性时间（立即更新）。

 创建一个新文件主要有一下4个操作：

1. 存储属性

• 内核inode Bitmap先找到一个空闲的inode节点（这里是inode标号：263466）。内核把文件信息记录到inode结点存储待inode Table中。

2. 存储数据

• 该文件需要存储在三个磁盘块，内核Block Bitmap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，将inode Bitmap对用的位图位置信息修改。

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（inode编号：263466，文件名：abc）添加到目录文件。文件名和inode编号之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来。

五.软硬链接

我们可以使用命令展示文件的inode：

ls -li

1.软链接

软链接是通过名字引用另外一个文件。

制作一个软连接：

测试代码和文件：

测试代码：

#include 
 
using namespace std;
 
int main()
{
 
    cout << "hello c++ and linux" << endl;
    cout << "hello c++ and linux" << endl;
    cout << "hello c++ and linux" << endl;
 
    return 0;
}

 使用命令建立软链接：

ln -s [原文件] [链接文件]

软连接的作用：

在windows下，如果下载了某一个软件，通常在桌面有一个启动程序的快捷方式，这样我们就不用再到安装目录下区找驱动程序了。

再Linux如果我们有一个文件在一个很深的目录下，使用起来会不方便，我们就可给这个文件一个软链接。

 软连接的本质：

说明：

1. inode是文件的唯一标识。
2. 链接文件个源文件inode不一样说明他们就不是一个同一个文件。
3. 之所以链接文件可以找到源文件，看似和源文件一模一样，是因为链接文件内部存储了源文件的指向。

2.硬链接

硬链接是通过inode引用另外一个文件。

 制作一个硬链接：

制作一个硬链接使用命令：

ln [源文件] [链接文件名称]

链接文件的本质：

没有建立硬链接之前：

建立硬链接之后：

说明：

1. 普通文件的硬链接数就是1。
2. 文件的inode和链接文件的inode相同。
3. 说明他们两个是同一个文件。
4. 硬链接的个数从1变成2。
5. 文件名不是唯一的，但是文件名再所在当前文件夹和inode是一 一对应的。

目录的硬链接：

尝试给目录添加硬链接：

注意：

硬不能给目录添加硬链接。

既然不能给目录添加硬链接，那我们还有研究的价值吗？OS系统允许州官放火，不允许百姓点灯。OS自己可以给目录添加硬链接，用户不能给目录添加硬链接。

见一见目录的硬链接：

 说明：

1. 新建一个文件夹，起始的硬链接就是2。
2. 除了自己本身之外还有一个链接文件。
3. 这个文件就是该文件夹下的 . 文件。
4. 自然 . 文件的inode也就和该目录相同了。
5. 同理 .. 文件inode就和newdir的上级目录的inode相同。
6. newdir的上级目录除了newdir里面的 .. 之外，还有newdir所造当前目录的 . 文件的硬链接。