Linux文件系統三要素：塊劃分、分區管理與inode結構解析

理解文件系統

????????我們知道文件可以分為磁盤文件和內存文件，內存文件前面我們已經談過了，下面我們來談談磁盤文件。

目錄

一、引入"塊"概念

解析?stat demo.c?命令輸出

基本信息

設備信息

索引節點信息

權限信息

時間戳

二、引入"分區"概念

1、在Linux系統中，可通過以下命令查看磁盤分區信息

2、磁盤實現分區

3、磁盤格式化

三、引入"inode"概念

解析?ls -l?命令輸出內容

各字段詳細解析

特殊情況的表示

解析?ls -li?命令輸出

Inode號 (第1列)

注意

請注意

目前大家可能還存在兩個疑問

一、引入"塊"概念

????????硬盤是典型的"塊"設備。操作系統在讀取硬盤數據時，并非逐個扇區讀取（這樣效率太低），而是通過一次性連續讀取多個扇區來實現，這個連續讀取的單位稱為"塊"(block)。

????????每個硬盤分區都被劃分為若干個"塊"。"塊"的大小在格式化時確定且不可更改，最常見的大小是4KB（即連續八個扇區組成一個"塊"）。"塊"是文件存取的最小單位。

stat 文件名

解析?stat demo.c?命令輸出

stat?命令用于顯示文件或文件系統的詳細狀態信息。以下是?demo.c?文件的詳細信息解析：

基本信息

  • 文件名: 'demo.c'

  • 大小: 182 字節

  • 占用塊數: 8 個塊 (通常每個塊512字節，所以占用約4KB空間)

  • IO塊大小: 4096 字節 (文件系統塊大小)

  • 類型: 普通文件 (regular file)

設備信息

  • 設備號: fd01h/64769d (主設備號fd01h，次設備號64769d)

索引節點信息

  • Inode號: 655967

  • 硬鏈接數: 1 (表示沒有其他硬鏈接指向此文件)

權限信息

  • 訪問權限: 0664 (-rw-rw-r--)

    • 所有者(hmz): 讀寫權限(rw-)

    • 所屬組(hmz): 讀寫權限(rw-)

    • 其他用戶: 只讀權限(r--)

  • 所有者: UID 1000 (用戶名hmz)

  • 所屬組: GID 1000 (組名hmz)

時間戳

  • 最后訪問時間(Access): 2025-07-16 23:18:34.624613705 +0800

  • 最后修改時間(Modify): 2025-07-16 23:18:26.954651585 +0800 (文件內容最后修改時間)

  • 最后狀態變更時間(Change): 2025-07-16 23:18:26.955651450 +0800 (文件元數據如權限等最后變更時間)

  • 創建時間(Birth): - (不支持或未記錄)

注意：

  • 磁盤可視為一個三維數組，我們將其抽象為一維數組處理，數組下標對應LBA（Logical Block Address），每個元素代表一個扇區
  • 每個扇區都有對應的LBA地址，8個扇區組成一個塊，可以根據LBA計算出塊地址
  • LBA與塊號的轉換關系：
    • 已知LBA求塊號：塊號 = LBA / 8
    • 已知塊號求LBA：LBA = 塊號 * 8 + n（n表示塊內扇區序號）

二、引入"分區"概念

????????磁盤作為典型的塊設備，通常以512字節的扇區為基本單位。以512GB磁盤為例，其包含超過十億個扇區。

????????實際上，磁盤可以被劃分為多個分區（partition）。分區編輯器將磁盤劃分為若干邏輯區域，不同分區可存儲特定類型的目錄和文件。分區越多，文件分類管理就越細致。以Windows系統為例，你可能有一塊物理磁盤并將其劃分為C、D、E盤，這些盤符就代表不同的分區。從本質上說，分區就是對硬盤進行格式化的一種方式。

1、在Linux系統中，可通過以下命令查看磁盤分區信息

ls /dev/vda* -l

2、磁盤實現分區

????????在Linux系統中，所有設備都以文件形式存在，那么如何實現分區呢？分區的最小單位是柱面，我們可以通過指定柱面編號來進行分區，具體操作就是設置每個分區的起始和結束柱面編號。

????????為了更直觀地理解，我們可以將硬盤上的柱面（分區）展開，想象成一個平面示意圖，如下圖所示：

注意：

當滿足以下條件時：

  • 所有柱面大小一致（即每個柱面包含相同數量的磁道）

  • 每個磁道的扇區數相同（即"扇區個位一致"）

那么計算分區大小和LBA地址可以簡化為：

  1. 分區大小計算：

    分區大小 = (結束柱面號 - 起始柱面號 + 1) × 每柱面扇區數 × 扇區大小

  2. LBA計算：

    某位置的LBA = 起始柱面的LBA + (柱面偏移 × 每柱面扇區數) + 磁頭偏移 × 每磁道扇區數 + 扇區偏移 - 1

3、磁盤格式化

????????在完成磁盤分區后，還需要進行格式化操作。格式化是對磁盤分區進行初始化的過程，這一操作會清除分區內所有現有文件。

簡而言之，格式化就是在各個分區中寫入相應的管理信息。

????????其中，寫入的管理信息是什么是由文件系統決定的，不同的文件系統格式化時寫入的管理信息是不同的，常見的文件系統有EXT2、EXT3、XFS、NTFS等。 會在后面的博客中進行講解！

三、引入"inode"概念

????????在Linux系統中，文件內容與元數據是分開存儲的。這種存儲元數據的結構稱為inode。由于系統中可能存在大量文件，每個文件屬性集都需要一個唯一標識符，即inode編號。

????????簡而言之，inode就是文件屬性的集合。Linux系統中幾乎所有文件都擁有自己的inode。為了有效區分系統中的眾多inode，每個inode都被分配了唯一的編號。

????????正如之前所述，文件由數據和屬性兩部分組成。當我們使用ls -l命令時，不僅能看到文件名，還能查看文件的元數據（即屬性信息）。

ls -l

解析?ls -l?命令輸出內容

? ? ls -l?是 Linux/Unix 系統中常用的命令，用于以長格式顯示文件和目錄的詳細信息。以下是典型輸出的解析：

各字段詳細解析

  1. 文件類型和權限（第1列）
    由10個字符組成，例如?-rwxr-xr--：

    • 第1個字符：文件類型

      標識符文件類型說明
      -普通文件常規文件，如文本、二進制文件等
      d目錄文件夾，包含其他文件或子目錄
      l符號鏈接快捷方式，指向另一個文件或目錄（如?link -> target）
      c字符設備文件按字符流訪問的設備（如終端?/dev/tty）
      b塊設備文件按數據塊訪問的設備（如硬盤?/dev/sda）
      s套接字文件進程間通信的套接字文件（如 MySQL 的?/var/run/mysqld/mysqld.sock）
      p命名管道文件先進先出（FIFO）管道，用于進程間通信（如?mkfifo?創建的文件）

    • 第2-4字符：所有者權限（u）

    • 第5-7字符：組權限（g）

    • 第8-10字符：其他用戶權限（o）

    • 權限字符：

      字符權限類型說明
      r讀權限允許查看文件內容（文件）或列出目錄內容（目錄）
      w寫權限允許修改文件內容（文件）或在目錄中創建/刪除文件（目錄）
      x執行權限允許執行文件（程序/腳本）或進入目錄（目錄）
      sSUID/SGIDSUID（所有者位置）：以文件所有者權限執行
      SGID（組位置）：以文件所屬組權限執行或繼承父目錄的組權限
      t粘滯位僅對目錄有效，用戶只能刪除自己擁有的文件（如?/tmp?目錄）

  2. 硬鏈接數（第2列）
    顯示指向該文件/目錄的硬鏈接數量。目錄通常至少有2個鏈接（自身和.）。

  3. 所有者（第3列）
    文件/目錄的屬主用戶名。

  4. 所屬組（第4列）
    文件/目錄的屬組名。

  5. 大小（第5列）

    • 普通文件：顯示字節大小

    • 目錄：顯示目錄元數據占用的空間（通常4096字節）

  6. 最后修改時間（第6-8列）
    顯示文件/目錄的最后修改時間，格式通常為：

    • 月份（如Jun）

    • 日期（如12）

    • 時間（如14:30）

    • 如果文件修改時間超過6個月，會顯示年份而非時間

  7. 文件名（最后一列）
    文件或目錄名稱。如果是符號鏈接，會顯示?linkname -> targetname。

特殊情況的表示

  • SUID/SGID權限：

    • rwsr-xr-x（所有者x位置變為s表示SUID）

    • rwxr-sr-x（組x位置變為s表示SGID）

  • 粘滯位：

    • rwxr-xr-t（其他用戶x位置變為t）

  • 大小時單位顯示：
    使用?-lh?選項時會以K/M/G等易讀單位顯示大小

ls -l 用于讀取磁盤上的文件信息并顯示詳細列表：

除了通過這種方式讀取信息，還可以使用 stat 命令查看更詳細的內容：

????????這里我們需要思考一個問題：既然文件數據都存儲在"塊"中，那么顯然還需要一個地方來存儲文件的元信息（屬性信息），比如創建者、創建日期、文件大小等。這個存儲文件元信息的區域就叫做inode，中文譯名為"索引節點"。

ls -li

解析?ls -li?命令輸出

? ? ls -li?命令結合了?-i?(顯示inode號) 和?-l?(長格式) 選項，提供比普通?ls -l?更詳細的信息。以下是完整解析：

Inode號 (第1列)

  • 唯一標識文件系統內的文件

  • 示例：1234567

  • 特點：

    • 每個文件/目錄有唯一inode號

    • 硬鏈接共享相同inode號

    • 刪除文件實際上是減少inode的鏈接計數

????????每個文件都對應一個inode，其中存儲著該文件的相關信息。要理解inode的概念，我們需要先深入了解文件系統的工作原理。

注意

  • Linux系統中文件采用屬性與內容分離的存儲機制
  • Linux通過inode結構存儲文件屬性，每個文件對應一個獨立的inode
  • inode中包含唯一的標識符，稱為inode號

一個文件的 inode 屬性具體是什么樣呢？我們來到源碼中看看對應的結構：

/** Structure of an inode on the disk (ext2文件系統的磁盤inode結構)*/
struct ext2_inode {/* 基礎信息 */__le16 i_mode;          /* 文件類型和權限 (rwx) */__le16 i_uid;           /* 所有者UID低16位 */__le32 i_size;          /* 文件大小（字節） *//* 時間戳（Unix時間戳格式） */__le32 i_atime;         /* 最后訪問時間 */__le32 i_ctime;         /* 創建時間 */__le32 i_mtime;         /* 最后修改時間 */__le32 i_dtime;         /* 刪除時間 *//* 所有權信息 */__le16 i_gid;           /* 所屬組GID低16位 */__le16 i_links_count;   /* 硬鏈接計數 */__le32 i_blocks;        /* 占用塊數（512字節為單位） */__le32 i_flags;         /* 文件標志（如不可修改、壓縮等） *//* 操作系統特定數據1 */union {struct {__le32 l_i_reserved1;} linux1;struct {__le32 h_i_translator;} hurd1;struct {__le32 m_i_reserved1;} masix1;} osd1;/* 數據塊指針 */__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];  /* 直接/間接塊指針（共15個） *//* 擴展屬性 */__le32 i_generation;    /* 文件版本（用于NFS） */__le32 i_file_acl;      /* 文件ACL塊指針 */__le32 i_dir_acl;       /* 目錄ACL塊指針 */__le32 i_faddr;         /* 碎片地址 *//* 操作系統特定數據2 */union {struct {__u8  l_i_frag;       /* 碎片編號 */__u8  l_i_fsize;      /* 碎片大小 */__u16 i_pad1;__le16 l_i_uid_high;   /* 所有者UID高16位 */__le16 l_i_gid_high;   /* 所屬組GID高16位 */__u32  l_i_reserved2;} linux2;struct {__u8  h_i_frag;__u8  h_i_fsize;__le16 h_i_mode_high;__le16 h_i_uid_high;__le16 h_i_gid_high;__le32 h_i_author;} hurd2;struct {__u8  m_i_frag;__u8  m_i_fsize;__u16 m_pad1;__u32 m_i_reserved2[2];} masix2;} osd2;
};/** 數據塊相關常量*/
#define EXT2_NDIR_BLOCKS  12  /* 直接塊數量 */
#define EXT2_IND_BLOCK    (EXT2_NDIR_BLOCKS)      /* 一級間接塊索引 */
#define EXT2_DIND_BLOCK   (EXT2_IND_BLOCK + 1)    /* 二級間接塊索引 */
#define EXT2_TIND_BLOCK   (EXT2_DIND_BLOCK + 1)   /* 三級間接塊索引 */
#define EXT2_N_BLOCKS     (EXT2_TIND_BLOCK + 1)   /* 總塊指針數（15個） */

查看源碼后，我們可以知道inode這個數據結構中包含了很多很多的文件屬性！！！

請注意

  • 文件名屬性不包含在inode數據結構中
  • inode大小通常為128字節或256字節，后續討論中將統一采用128字節
  • 不同文件的內容大小可以各不相同，但其屬性大小始終相同

目前大家可能還存在兩個疑問

  1. 我們已經知道硬盤是典型的"塊"設備，操作系統讀取硬盤數據的基本單位是"塊"。這些"塊"作為硬盤分區下的結構，它們是如何在分區上有序分布的？系統又是如何快速定位到這些"塊"的呢？

  2. 前面提到的存儲文件屬性的inode，它們又是如何被組織存放的？

文件系統正是為了解決這些問題而設計的！后面將會講解文件系統的相關知識！！！

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