【Linux】基础IO_文件系统

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前言

在前文我们所讲的都是已经打开的文件，而没有被打开的文件又存储在哪里呢？又是如何进行管理的呢？事实上，没有被打开的文件存储在磁盘，称之为磁盘文件。磁盘的存在不仅仅是为了存储文件，还有后续能对文件进行快速定位以及读取和写入。而对于磁盘文件的管理，则离不开文件系统，本次文章将对此进行探讨。

磁盘的物理结构

磁盘是什么？

磁盘是一种存储数据的存储器，早期主要计算机使用的磁盘是软磁盘（软盘），而如今则主要使用硬磁盘（硬盘）。而如今市面上的硬盘主要有机械硬盘以及固态硬盘。两者各有优缺点。

1. 机械硬盘：容量大、价格便宜、但读取速度非常慢、个头还大（很多公司还在使用，因为成本低）
2. 固态硬盘：读取速度快、个头小、但是价格贵，且存储空间有限（当前我们的大多数计算机都是固态硬盘）这里我们所讲解的是机械硬盘，顾名思义，机械硬盘是我们计算机上的唯一一个机械设备。

基本结构

机械硬盘的基本结构主要包含以下部分：

• 盘片：一片两面、每一面都可以存储数据、有一摞盘片
• 磁头：盘片每一面各有一个磁头，磁头负责盘面数据的读取
• 传动轴：用来控制磁头的进退
• 主轴：控制盘片的稳定旋转
• ......

存储结构

物理存储结构

机械硬盘的逻辑结构主要分为磁道、扇区和拄面。（部分内容来源于：硬盘结构（机械硬盘和固态硬盘）详解）

1. 磁道：每个盘片都在逻辑上有很多的不同半径的同心圆，最外面的同心圆就是 0 磁道。我们将每个同心圆称作磁道（注意，磁道只是逻辑结构，在盘面上并没有真正的同心圆）。
2. 扇区：在磁盘上每个同心圆是磁道，从圆心向外呈放射状地产生分割线（扇骨），将每个磁道等分为若干弧段，每个弧段就是一个扇区。每个扇区的大小是固定的，为 512Byte。扇区也是磁盘的最小存储单位。
3. 柱面：不同盘片中的相同磁道形成的一个圆柱。

数据的写入与读取：

扇区作为磁盘中存储的基本单元，大小为512byte。（一个文件的数据在存储时可能占用多个扇区）。所以我们在进行数据的写入和读取时，只需要定位到具体的扇区即可。而定位一个扇区，首先要定位该扇区在哪一个盘面上（由磁头定位，每一个面都有一个磁头），接着通过同心圆的半径，确定扇区所在的磁道，最后再通过扇区的编号，确定该扇区的具体位置。这种通过磁头、磁道、扇区编号来定位扇区的放法，称之为CHS定位法。

而磁盘的存储介质为磁性材料，我们知道计算机内的数据都是大量的0和1，而磁头则会将0和1这种电信号转化为磁信号，也就说机械硬盘是通过磁头对南北极的更改，来实现数据的读取与写入。当我们通过CHS定位到具体扇区时：

• 向磁盘中写入数据：**N -> S **（0->1）
• **删除数据：S ->N **(1->0)
• 对数据的写入/删除 与读取的本质：更改基本元素的南北极，读取南北极。

逻辑抽象

如上所说，如果OS能知道任意的CHS地址，就能访问任意一个扇区，但是OS内部并不是直接使用CHS定位法。

这是因为OS是一个用来对软硬件资源做管理的软件，而CHS定位法是磁盘作为硬件来使用的方法。由于硬件可能会随着时代的发展而不断改变，如果此时OS采用CHS，那么OS也要不断随着硬件的更新而更新。耦合度太高，成本太大。因此为了实现与硬件的解耦，OS采用一种新的定位方法---LBA逻辑块地址。

如下图所示：将磁道从最外层铺开，就像扯胶带一样拉开，就会得到一串连续的线性的空间，我们把它想象成一个大数组，如下图所示：

此时计算机的常规访问方式，就变成了某一个数据块的起始地址+偏移量。此时也就完成了CHS到BA的转换。因此，OS对于磁盘的管理，实际上就转化为了对这个大数组的管理。

当然，OS进行IO的基本单位是可以进行调整的，一般都是4KB，即一个数据块的大小，这也是为什么磁盘会被称之为块设备的原因之一。这样也是为了提高IO效率，根据内存对齐原则。

文件系统

分治管理

Windows下的分盘

我们目前所使用的计算机，实际上只有一个盘，那么为什么我们还要将它分成C盘、D盘呢？答案是为了让我们能更好的管理这些资源。同样，Linux操作系统为了更好的管理整个磁盘空间，也会对磁盘进行分区，对OS来说，管理好一个分区，就能管理好所有的分区（每一个分区的管理方法都一样），而为了更好的管理一个分区，又会在该区内进行分组管理，再次细分为一个一个块组。同样，管理好一个块组，即可管理好整个块组，进而管理好整个分区，实现对整个文件系统的管理。

这种管理策略，有点类似于我们国内为了管理好整个国家，设置了各个省，而为了管理好一个省，又设置了各个市。只不过计算机的这种管理方式要更加简单些，因为管理的策略都一样，不像国内各个省市的管理要考虑当地具体情况。

块组内的信息

如上所说，OS只需要管理好一个块组，就能管理好所有的块组，进而管理好一个分区，再进而管理好整个文件系统。那么，一个块组内，都包含些什么呢？如下所示：

上面提到了一个inode节点，我们知道，Linux下一切皆文件，文件=内容+属性，Linux是将文件的内容与属性的数据分离开来，一个inode节点内，保存文件的各种属性信息，比如：文件的读写权限、拥有者、文件大小、对应的inode编号等。而文件的内容数据，则保存在date blocks中对应的一个或多个数据块中。

这里需要注意的是：

• 在文件的inode中，不包含文件名
• 目录也是文件，也有自己的inode编号，其中目录的数据块中存放的则是该目录下的文件名与对应的inode编号的映射关系。两者互为Key值。
• inode编号只在该分组所在的分区内有效。通过inode编号，就可以先确定所在分区，再确定所在分组。
• 一个文件对应一个inode编号。任何文件，都在处于一个目录内。所以可以先通过inode Table找到目录的inode编号，找到inode编号，就找到了inode节点，节点内记载着各种属性，进而找到Block Bitmap的使用情况，根据Block Bitmap再来确定目录所使用的数据块，目录的数据块内包含目录下的文件名与文件的inode编号的映射关系，从而找到目录下的某一个具体文件。

我们通过指令ls -l -i来查看文件的inode编号。

磁盘文件的创建与删除

文件创建

1. 对于文件的创建，首先会找到一个空闲的inode节点，将文件属性记录在该节点内，同时将该inode节点对应的inode Bitmap的比特位由0置1
2. 寻找空闲的数据块，用来存储文件的相关内容，并将数据块的相关信息填入inode节点中，同时将对应的BlockBitmap由0置1
3. 将该文件名添加到当前目录文件的Dateblock中，并将该文件名与对应的inode编号连接起来。

文件删除

• 文件的删除，其实只需要对位图信息进行修改即可
• 首先根据文件所在的目录。目录中的dateBlock记载着该目录下的文件名与inode编号的映射关系，根据映射关系，找到该文件对应的inode
• 根据inode，将对应的BlockBitmap由1置0（删除内容）
• 再根据inode，将对应的inodeBitmap由1置0。（删除属性）

也就是说，假如我们的文件被误删除的话，是有一定希望可以进行恢复，只需要将该文件的inode编号对应的位图信息由0恢复成1即可。当然，这种恢复技术还是由专业人员来进行操作，我们只要保证删除文件的inode编号不被其它文件使用即可。

对于其它的一些补充

补充一、

我们知道，在文件的inode节点中，记载了数据块的相关使用信息，可能是用一个数组来记载，但是此时可能会面临一个问题，就是假如一个文件使用了15个数据块，而一个数据块的大小为4kb，也是不是意味着该文件最多能放入15*4=60kb的内容？

答案是否定的，因为数据块里面有的可能并不是放着文件的内容，而是存放着该文件使用的其它数据块的索引。（有点类似套娃）如下所示：

如上所示，一个数据块内，可能存在多级的索引关系，从而实现对大量数据的存储。

补充二、

如上所说，文件的内容采用数据块存储，而一个数据块的大小为4kb，那么就可能会出现文件系统中存在大量的，内容非常少导致实际使用的空间很小（可能才几个字节，甚至更小），此时就会出现大量的空间浪费。

实际上假如出现这种情况，确实会出现空间浪费的情况。但是为什么我们不选择将数据块大小设置为1kb呢？实际上这样做虽然可以处理，但是对于大型文件，就会占用更多的数据块，inode也要记录更多的所使用的数据块情况。此时就可能造成文件系统读写性能不佳，定义成4kb的原因最主要还是由于普适性。并且如今的磁盘空间容量都比较大，所以一般都是采用4kb的大小来定义一个数据块。

end.

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