目錄

1.文件系統

1.1 磁盤物理存儲結構

1.2 磁盤邏輯存儲結構

1.3 inode編號

2. 軟硬鏈接

2.1 軟鏈接

2.2 硬鏈接

2.3 目錄文件的軟硬鏈接

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1.文件系統

在一臺電腦中，大部分文件都不是被打開的，這些文件都在磁盤中進行保存。已經打開的文件需要管理，沒有被打開的文件同樣需要管理，所以需要文件系統。

1.1 磁盤物理存儲結構

磁盤是一種用于存儲數據的硬件設備，通常分為機械硬盤（HDD）和固態硬盤（SSD）兩大類。機械硬盤通過旋轉的磁性盤片和磁頭讀寫數據，而固態硬盤則使用閃存芯片，沒有機械部件。因為大容量磁盤比較便宜，大型公司還是使用磁盤，我們這里講解一下磁盤的結構。

磁盤的主要組成部分：

• 盤片(Platter)：表面覆蓋磁性材料的圓形金屬片
• 磁頭(Head)：讀寫數據的電磁組件
• 磁道(Track)：盤片上的同心圓環
• 扇區(Sector)：磁道的最小存儲單元（通常512字節或4K）
• 柱面(Cylinder)：所有盤片同一磁道組成的立體結構

一個盤面可以有很多個同心磁道，一圈磁道可以有很多扇區，扇區是磁盤最小的存儲單元。

如果我們想向一個扇區寫入，我們尋址的過程是這樣的：

1. 確定盤面
2. 確定磁盤
3. 確定扇區

1.2 磁盤邏輯存儲結構

我們把磁盤抽象成連續的線性空間。

那我們如何尋找一個扇區呢，我們可以給每個扇區編號，比如1~100000第一面，100001~200000第二面，對磁盤的管理就變成了對數組的管理。

操作系統中，可以按照扇區為單位進行存取，也可以基于文件系統，按照文件塊為單位進行存取。一個文件塊可以有多個扇區組成，這樣可以更好的應用空間局部性原理，就可以理解為什么說磁盤是塊設備了，即按照塊的大小從磁盤中讀取數據。

1.3 inode編號

文件系統時如何實現并找到我們的文件的呢？文件系統為每個文件分配一個inode編號，通過inode編號進行查找。

Linux ext2文件系統，上圖為磁盤文件系統圖（內核內存映像肯定有所不同），磁盤是典型的塊設備，硬盤分區被劃分為一個個的block。一個block的大小是由格式化的時候確定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b選項可以設定block大小為1024、2048或4096字節。而上圖中啟動塊（Boot Block）的大小是確定的，

• Block Group：ext2文件系統會根據分區的大小劃分為數個Block Group。而每個Block Group都有著相同的結構組成。

• Datablocks：數據區存放文件內容。
• inode Table（inode表）：struct inode inode_table[N]

inode Table中有很多inode結構體，一般情況下一個文件一個inode，且在整個分區具有唯一性。不同分區可以裝不同的操作系統。

struct inode
{大小，權限，擁有者，所屬組，修改時間，inode編號，引用計數；int blocks[N];
}

inode存放文件的屬性信息，Data blocks中存放文件的內容。其中inode編號不同表示不同文件，其中 block[N] 表示所用塊的下標，N一般不會太大，比如N是15時，0~10使用直接映射，11~12使用二級映射，13~14使用三級映射，可以跨組存儲。

• inode位圖（inode Bitmap）：每個bit表示一個inode是否空閑可用。
• 塊位圖（Block Bitmap）：Block Bitmap中記錄著Data Block中哪個數據塊已經被占用，哪個數據塊沒有被占用。一個比特位表示一個塊。
• GDT，Group Descriptor Table：塊組描述符，描述塊組屬性信息，有興趣的同學可以深入了解。
• 超級塊（Super Block）：存放文件系統本身的結構信息。記錄的信息主要有：bolck 和 inode的總量，未使用的block和inode的數量，一個block和inode的大小，最近一次掛載的時間，最近一次寫入數據的時間，最近一次檢驗磁盤的時間等其他文件系統的相關信息。Super Block的信息被破壞，可以說整個文件系統結構就被破壞。超級塊不是每個塊組都有，一般只有3~4個塊組有。

用戶使用操作系統時使用的是文件名，而內核只使用inode編號，所有我們的目錄文件中存儲的就是該目錄下文件與inode編號的映射。

inode編號同一分區內唯一，不同分區inode編號可以相同，那么操作系統如何判斷相同inode編號的文件在那個分區的呢？

• 訪問文件時都是需要知道該文件的目錄，不同目錄創建時會通過掛載知道屬于哪個分區。

2. 軟硬鏈接

通過 ln -s 指令可以為文件建立軟鏈接，不加 s 為文件建立硬鏈接。

ln -s 文件名 鏈接名

2.1 軟鏈接

為log建立軟連接，通過 ls -l -i? 可以看到文件第一個屬性是inode編號。

ln -s log log.soft.link

可以看到文件和其軟鏈接inode編號不同，可以判斷出這是兩個不同的文件，軟鏈接是一個獨立的文件。軟鏈接內容是指向目標文件的路徑，類似于windows的快捷方式。

軟鏈接的文件屬性是 l，說明是鏈接文件。

2.2 硬鏈接

為hello文件創立一個硬鏈接。

ln hello hello.hard.link

可以看到普通文件與其硬鏈接inode編號相同，硬鏈接不是一個獨立的文件，且文件屬性是 - ，普通文件。

那硬鏈接是什么呢？硬鏈接是在指定的的目錄內部添加一組映射關系（文件名<-> inode編號）。inode編號相同，訪問磁盤時也是訪問相同的inode。

第三個屬性就是該文件的硬鏈接數，當一個文件的硬鏈接數是0時，該文件才算是真正地被刪除。在文件系統層面，inode內部有引用計數，表明有幾個文件名與inode編號有映射關系。

2.3 目錄文件的軟硬鏈接

創建一個新文件和一個新目錄

mkdir newdir
touch newfile

可以發現新普通文件的硬連接數時1，而新目錄的硬連接數是2。我們可以通過 ls -a，可以看到 . 和 .. 兩個隱藏目錄文件，. 代表當前目錄，.. 代表上一級目錄。本級的 newdir?和 newdir 中的 .?都指向該目錄，所以新建目錄的硬連接數是2，當 newdir 中每新建一個目錄，newdir 的硬鏈接數都會加1，因為在 newdir 中新建的目錄中都有 .. 指向 newdir 。

. 與 .. 都屬于目錄的硬鏈接，但是用戶是不能給目錄文件建立硬鏈接。因為在執行一些查找命令時會通過目錄查找，會陷入循環，且硬鏈接文件是普通文件，可能繞過權限檢查，當然還存在其他等等問題。

用戶是可以為目錄建立軟鏈接的，因為軟鏈接可以通過文件屬性 l 分辨出。

本篇結束！