【Linux】文件系统

简介: 在打开文件之前,我们需要找到文件 -> 就要从磁盘中找到对应文件 -> 通过文件路径与文件名

送给大家一句话:
你的任务,就是珍惜你自己的人生,而且还要比之前任何时候更加珍惜。
– 东野圭吾

1 前言

之前我们学习了

  1. 操作系统中文件操作的系统调用接口
  2. 了解了文件描述符
  3. 重定向的使用与底层原理
  4. 了解什么是缓冲区

但是这些都是文件被进程打开后才有的操作,那么其余文件呢???在我们的系统中有非常多的文件(一切皆文件),被打开的文件只是一小部分。没有被打开的文件实际上是在磁盘上储存的,也就是磁盘文件。

在打开文件之前,我们需要找到文件 -> 就要从磁盘中找到对应文件 -> 通过文件路径与文件名。


今天我们来了解如何管理磁盘文件 — 文件系统。

2 物理磁盘

我们首先来了解物理磁盘是什么样子的:

通常由金属外壳、控制电路板和接口组成。硬盘内部有盘片、磁头和悬臂等部件,用于存储和读取数据。盘片表面涂有磁性介质,数据以磁道和扇区的形式存储。硬盘通过磁头在盘片上读写数据,而磁头则由悬臂支撑和定位。

简约来说,物理磁盘是计算机中用于存储数据的实体设备,具有特定的结构和外观

因为计算机只认识二进制,我们就需要一个结构可以通过记录二进制信息来储存文件。物理磁盘就是这样一个结构。

磁盘的碟片两面都可以进行存储,一个磁盘中有多个碟片(碟片越多,容量越大),读取写入的结构是磁头(悬浮在碟片上),每面都会有一个磁头来读写数据。磁盘中央是一个马达,使其可以旋转来使磁头读取到信息。

3 磁盘的存储结构

磁盘是一个机械结构,读写速率较慢。所以我们尽量减少读取次数,让其定期刷新,并让其一次可以读写入较多数据(缓冲区的作用)

磁盘上可以理解为是无数个磁铁(可以通过位置方向表示二进制信息)。我们来认识几个概念

  1. 以磁盘圆心为中心,每一圈都称为磁道(因为有多个碟片,所以磁道也可以加做柱面)
  2. 像切蛋糕一样分出的块称为扇区,扇区是磁盘读写的基本单位(每个扇区有对应容量)
  3. 一片磁片有 n 个磁道,每个磁道有 m 个扇区

那么我们如何找到指定位置的文件呢 —— CHS定址法

  • 第一步确定在那一面(确定磁头 Header)
  • 第二步确定在哪个磁道(柱面Cylinder)
  • 第三步盘片选择,确定在哪个扇区 Sector

文件 = 内容+属性,也就都是数据,而数据是二进制储存的,所以文件在磁盘中储存可以理解为文件在磁盘中占有多少个扇区

4 抽象理解磁盘储存

虽然CHS定址法很直接,但是操作系统并不使用该方法,因为该方法耦合度太高。为了方便实现内核进行磁盘管理,需要进行抽象管理。

磁盘可以整体抽象为一个线性结构:把所有的扇区连接在一起,形成一个线性结构。也就是我们可以通过数组(储存扇区)来管理磁盘。那么如何进行准确的定位磁盘位置呢(假设一个面有10个磁道,1000个扇区)???

  1. 因为磁盘每个碟片和扇区的储存容量是一定的,也就可以通过扇区的index值来确定其在哪个碟片。(H = index / 1000)
  2. 确定了在哪个碟片,我们就要确定其在该碟片哪个扇区(temp = index / 1000 )
  3. 确定扇区后,我们再来确定子啊那个磁道 ( C = temp / 100)

这样通过一个线性结构就可以管理磁盘。

文件就等于很多个扇区的下标

一般操作系统与磁盘交互时不这样一个一个下标来确认。基本单位可能是 4KB ,也就是一次读取多个扇区。

4KB 假如是8 个连续的扇区,我们称之为数据块。

那么文件就是多个块来构成的。操作系统通过块来读取数据,通过每个块的起始位置就能确定块中的扇区的CHS(只要知道一个起始,和磁盘总大小,有多少块,每个块的编号,如何转换到CHS,就都知道了),称之为:LBA(逻辑区块地址)

5 引入文件系统 (如何管理磁盘文件)

5.1 了解文件系统

有了上面的线性大地址,我们就可以开始构建出文件系统了。

磁盘每个分区的容量是很大的(比如我们电脑的C盘 D盘 E盘),要直接管理好这个大空间是有点困难的,所以操作系统对磁盘分区进行一个分组,只要管理好这个分组就能管理好这个分区(分治思想!!!)。


首先:文件 = 文件内容 + 文件属性 。文件在磁盘中存储,本质是储存文件的内容与文件的属性数据。在每个分区内部分组,然后写入文件系统的管理数据,称之为格式化!!!

Linux 文件系统特定: 文件属性 与 文件内容 分开存储。接下来我们来研究文件系统:

每个组里有这些部分:

  1. Block Group(占据空间最大的一部分):每个Block Group都有着相同的结构组成。里面储存着非常多的数据块( 都有对应的块号),每个数据块只存储文件的内容。
  2. inode 表 : 存放文件属性 如 文件大小,所有者,最近修改时间等Linux中文件的属性是大小固定的集合体(一般固定128字节) 不包含文件名,但是都有inode_number,通过inode号来标识一个文件。
struct inode
{
  int size;
  mode_t mode;
  int creater;
  int time;
  ...
  int inode_number;
  ... 
  int datablocks[N]
}

 其中的datablocks[N]用来储存使用了哪些数据块(通过块号来储存)。但是N一般是15,想要储存一个大文件是怎样储存的呢?

  1. GDT(Group Descriptor Table):块组描述符,描述块组属性信息:块多大,有多少个Datablock,使用了多少个… 其本质是管理字块的部分
  2. 超级块(Super Block):存放文件系统(分区)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,超级块不是每个分区都有的,但是超级块也会有多个,内容也保持一致,防止数据丢失,提高系统健壮性。
  3. 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。通过010101的比特位来记录信息。
  4. inode位图(inode Bitmap):每个bit表示一个inode是否空闲可用。通过010101这样的比特位表示是否可用。
  5. 数据区:存放文件内容

5.2 细节处理

如何存储文件

我们找寻文件时,必须先得到文件的inode号。在我们的GDT中会记录下该组的inode编号的范围(start 与 end ),通过文件inode就可以确定其所属分区。 datablock 也是如此!!! 也有对应块号。这样就能找到文件的内容。


inode 表中的datablock[N]通常只有15容量,那是怎样储存大文件的呢?其实这里就比较类似指针数组了,一般【0 , 11】直接映射数据块,【12 , 15】 指向的数据块,这个数据块里面也类似一个datablock[N],来指向其他数据块!(存在一级映射,二级映射,三极映射。并且可以跨组访问,但是强烈不推荐这样,因为硬件的限制会导致访问较慢)


上述的寻找过程是以inode为索引搜索 ,为什么要不使用文件名呢???

这是因为目录本质也是一个文件,是文件就会有内容与属性。那目录的内容是什么呢?目录内容就是文件名与其inoded 映射关系。

这也可以解释一下我们平时的应用:

  1. 同一目录下不难创建同名文件
  2. 查找文件的顺序,先查找文件名->再找到映射的inode编号。
  3. 目录的 r 权限 :本质是 是否允许我们读取目录的内容(文件名与inode的映射关系
  4. 目录的 w 权限 :新建文件,最后一定是向当前所处的目录内容中写入:文件名与inode的映射关系
  5. 如何理解文件的增删查改:
  • 增加:本质是先根据inode位图子所属分区申请一个新的inode,根据inode值确定分组,再通过block位图寻找未被使用的数据块,然后开始写入数据
  • 修改:根据文件名找到对应映射的inode,然后找到对应的文件内容,进行修改。
  • 删除:本质是在inode位图中设置为 0 ,这样就完成了删除。

如何寻找指定文件

要找到指定文件 -> 首先要找到所在目录 ->找到文件的inode编号 -> 打开文件

找到所在目录的过程与找指定文件过程一样,因为目录本质也是文件 !就这样进行逆向的路径解析。

而Linux系统会进行路径的缓存,来方便我们的寻找工作。

我们一般使用的云服务器会有一个虚拟磁盘vda,系统中会有许多分区。我们访问一个分区会对我们使用的分区进行挂载,挂载实质是将一个磁盘分区与目录进行关联,这样就可以在该分区进行文件操作。

Thanks♪(・ω・)ノ谢谢阅读!!!

下一篇文章见!!!

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