Linux系列

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前言

Linux 文件系統是操作系統中用于管理和組織存儲設備（如硬盤、SSD、USB 等）上數據的一種核心機制。本篇我們將操作系統如何對未打開的文件進行管理的。

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一、磁盤

磁盤是是計算機硬件中的唯一的機械設備，被廣泛的運用于企業級存儲，學習磁盤對數據的存儲，對我們學習操作系統的文件系統有很大幫助。

1.1 初識磁盤

隨著計算機行業的發展，磁盤由于存儲效率較低，慢慢的在我們的私人電腦中被固態硬盤所替代，但是在企業中，磁盤依舊是存儲的主流。這是因為：
1、相較于固態硬盤來說，磁盤的成本較低。
2、磁盤雖然效率低，但是容量較大，在企業中往往存在海量的不常訪問數據需要保存，所以磁盤就成了比較適合的選擇，
3、固態硬盤在存儲和刪除數據是對自身會有一定損耗，長時間的使用會有數據丟失的風險。

1.2 磁盤的物理結構

一個磁盤會包含好幾個盤片，每個盤片具有兩個盤面，這兩個盤面都會進行數據存儲，每個盤面都會配有對應的磁頭，在工作時，磁盤會在主軸的帶動下開始旋轉，磁頭則會在磁臂的帶動下開始水平擺動，這個過程磁頭并不會和磁盤接觸。

1.3 磁盤的存儲結構

下面我們來對一個磁面進行分析：

在一個磁面中，以主軸為圓心，向外會分成多個同心園，我們稱這些同心圓為磁道，這些磁道又會被等分為多分弧段，這些弧段就叫做扇區，在磁盤進行數據的讀寫時就是以扇區為最小單位，每個扇區一般為512字節，從主軸向外扇區的長度是不同的，為了保證存儲空間一致，設計規定離主軸越遠數據的存儲密度越小。

拓展： 磁盤在工作時，主軸帶動磁盤旋轉，磁頭通過擺動來確定數據在哪個磁面、磁道，當確定磁道后，磁頭停止擺動，此時磁盤繼續旋轉完成數據讀寫工作。

為了對方便管理，我們磁面、磁道、扇區進行編號，當我們要對磁盤數據進行訪問時，就可以通過編號快速完成，具體怎么進行的我們下面介紹。

1.4 磁盤的邏輯結構

由于磁盤的大小相同，且磁臂是被固定的，這時再將磁盤劃分磁道，我們就會得到一個由磁道組成的柱面結構，當我們對磁盤進行訪問時，我們就可以先確定在哪一個柱面（cylinder）,也就是磁盤，然后再確定再哪一個盤片（platter），由于每個盤片都配有一個磁頭，所以我們是通過 磁頭（head） 來確定的，再確定磁道（track），最后確定扇區（sector) 我們稱這種定位方法為 CHS定位法。為了將它于操作系統建立聯系，我們需要將它進一步抽象。

不知到大家有沒有接觸過磁帶，來看下圖：

左側圖片是磁帶卷起的樣子，會呈現出一個圓類似于盤面，當我們將它展開就會呈現出右側有寬度的帶子，我們可以依據這個特性將盤面中的磁道抽象為一個，條帶子：

這里我們就可以將所有盤面全部抽象為一個線性結構（當成數組也可以，為了方便這里僅畫出了一個盤），這時我們對磁盤的訪問，就變為了對線性結構的訪問，當操作系統要定位一個扇區時，我們只需要知道這個扇區的地址就可以完成對扇區的訪問了，如要查找扇區編號為：355

由于是從0開始編號，所以計算時只需要向下取整即可。
這樣我們就成功定位到了扇區，而我們將這種編號稱為LBA地址，定位過程就是LAB地址轉化為CHS地址的過程。

二、文件系統

2.1 系統對磁盤的管理

我們可以確切的感受到，在我們的計算機中，磁盤是非常大的，如果操作系統直接對他進程管理，效率是非常低的，那么該如何讓操作系統對它進行管理呢？對于這個問題，我們的工程師采用了分治思想，將整個磁盤劃分為小塊空間，通過對所以小塊空間的管理，達到對整個磁盤的管理。

這樣操作系統只需要完成對每個組的管理，就可以達到對整個磁盤的管理。
每個組又會被劃分為以下幾個區：

具體如何管理我們結合文件在磁盤中的存儲，進行分析：
我們知道文件=內容+屬性，而在Linux中文件的內容和屬性是分開進行存儲的，那么兩者分開存儲是如和建立聯系的呢？或者說是如何管理的呢？

存儲屬性信息： 在Linux中每個文件都會對應一個inode結構體，這個結構體（對象）的大小是固定的，通常為128字節，文件的所有信息都存儲在這個結構體對象中，其中并包含文件名，這是因為，Linux并不通過文件名進行查找文件，每個inode都會有一個編號，操作系統通過編號進行查找。上圖的inode Table就是inode表（inode集合，下面會再次解釋）。

存儲文件內容： 在Linux文件內容是存儲在上圖Data blocks區域中的，而這個區域被劃分為塊（這些塊也是會被分配編號的），操作系統在訪問磁盤時是以塊為單位進行訪問的，塊中包含多個扇區，通常塊的大小為4KB,此處可以理解為對讀取性能的優化，因為當計算機要訪問一段數據是，這段數據周圍的數據也有很大可能被訪問，所以直接讀取4KB，這是一種以空間換時間的方法。（這個塊大小是可以修改的，感興趣的可以去了解）

屬性與內容建立聯系： 在inode對象中會存在，一個數組，數組中存儲的是該文件內容存儲塊的編號。

這樣我們就大概的知道了，存儲邏輯了，下面我們解釋一下，組中各個模塊的含義。

Boot Block:引導塊，引導操作系統啟動，我們不做研究。

Super Block:超級塊，存儲文件系統的整個信息（整個分區信息），包含bolck和inode的總量，未使用的量，一個bolck和inode的大小，文件系統狀態（是否干凈卸載）等。

Group Descriptor Table:塊組描述符，描述塊組的屬性信息。

Block Bitmap：塊位圖，記錄Date bolck中的塊是否被使用，通過塊編號映射，相信學過位圖的都可以理解。

inode Bitmap：inode位圖，標識inode是否被使用。

復習的時候再看看超級塊-----這句話給作者看的

2.2 文件在磁盤中的操作

我通過對文件的增、刪、查、改，帶領大家熟悉上面知識。

查看文件的inode編號：

ls -li

還可以使用stat 文件名查看更多信息，大家自己去了解一下。

創建文件：

創建文件時，將文件存儲在哪個分區，路徑會幫助我們，這里我們就不關心了，首先操作系統根據，超級塊中的信息，剩余inode和bolck較多的組，遍歷該組的inode Bitmap，得到未被使用的inode編號，找到該inode將文件屬性存儲，并將對應位置位圖置1，再遍歷Block Bitmap得到未被使用的塊編號，找到對應塊，將文件內容存儲，并將對應位置位圖置1，再將對應的塊編號，存入該文件inode的數組中。

讀取文件：

讀取文件首先查找文件，拿到該文件的inode編號，根據編號找到對應的分組（LBA->CHS），找到inode中存儲塊編號的數組，那到塊編號，讀取塊數據。

修改文件：

首先拿到該文件的inode編號，根據編號找到對應的分組（LBA->CHS），找到inode中存儲塊編號的數組，那到塊編號，修改數據。

刪除文件：

首先拿到該文件的inode編號，根據編號找到對應的分組（LBA->CHS），找到inode中存儲塊編號的數組，那到塊編號，使用塊編號，將塊位圖對應位置置0（表示未被使用），通過inode編號將inode位圖置0。

通過上面的方法我們就可實現文件的增、刪、查、改了，但是我們還面臨一個問題，操作系統該如何來獲取文件的inode編號呢？

我們首先來看這樣一個問題：

上面我們說，操作系統在磁盤訪問文件不通過文件名，是通過inode進行的，但現在為什么操作系統不認識它呢？
要回答這個問題我們就得思考一下，目錄文件在磁盤中存儲的內容是什么了，在磁盤中目錄文件存儲的其實是，該目錄下的文件名與文件inode編號的映射關系，當在用戶訪問文件時，操作系統就會根據當前目錄的inode編號，找到當前目錄的內容，從而通過映射關系找到對應文件的inode編號，這樣就可以得到用戶要訪問文件的inode，但是當前目錄文件的inode又從哪來呢，當然是通過它的上級目錄了，就像這樣一直索引，知道找到操作系統啟動時固定的，目錄inode編號，然后逐級返回。這個過程為路徑解析，但是由于太過復雜影響效率，所以操作系統會將常用路徑解析后緩存在dentry緩存。

這樣我們就將這個問題完美解決了。