Linux文件系统

Tencent问了什么？

Linux系统如何支持多种文件系统？

Linux系统启动时，首先挂载根文件系统，之后可以自动或手动挂载其他的文件系统，这些文件系统要挂载到挂载点上，与虚拟文件系统（Virtual File System）和通用块设备层（General Block Device Layer）建立联系。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。

什么是挂载点，挂载点的作用是？

答：挂载点是Linux访问磁盘的入口，能够使数据正常写入磁盘

磁盘分区

磁盘的分区主要分为基本分区（primary partion）和扩充分区(extension partion)两种，基本分区和扩充分区的数目之和不能大于四个。且基本分区可以马上被使用但不能再分区。扩充分区必须再进行分区后才能使用，也就是说它必须还要进行二次分区。那么由扩充分区再分下去的是什么呢？它就是逻辑分区（logical partion），况且逻辑分区没有数量上限制。

在 Linux 中，每一个硬件设备都映射到一个系统的文件，对于硬盘、光驱等 IDE 或 SCSI 设备也不例外。Linux把各种 IDE 设备分配了一个由 hd 前缀组成的文件；而对于各种 SCSI 设备，则分配了一个由 sd 前缀组成的文件。

对于ide硬盘，驱动器标识符为“hdx~”,其中“hd”表明分区所在设备的类型，这里是指ide硬盘了。“x”为盘号（a为基本盘，b为基本从属盘，c为辅助主盘，d为辅助从属盘）,“~”代表分区，前四个分区用数字1到4表示，它们是主分区或扩展分区，从5开始就是逻辑分区。例，hda3表示为第一个ide硬盘上的第三个主分区或扩展分区,hdb2表示为第二个ide硬盘上的第二个主分区或扩展分区。对于scsi硬盘则标识为“sdx~”，scsi硬盘是用“sd”来表示分区所在设备的类型的，其余则和ide硬盘的表示方法一样，不在多说。

在 Linux 中规定，每一个硬盘设备最多能有 4个主分区（其中包含扩展分区）构成，任何一个扩展分区都要占用一个主分区号码，也就是在一个硬盘中，主分区和扩展分区一共最多是 4 个。

Linux 规定了主分区（或者扩展分区）占用 1 至 16 号码中的前 4 个号码。以第一个 IDE 硬盘为例说明，主分区（或者扩展分区）占用了 hda1、hda2、hda3、hda4，而逻辑分区占用了 hda5 到 hda16 等 12 个号码。

因此，Linux 下面每一个硬盘总共最多有 16 个分区。

IDE硬盘最多有64个分区

分区表

磁盘分区表主要有两种格式，一种是限制较多的 MBR 分区表，一种是较新且限制较少的 GPT 分区表。

1. MBR

MBR 中，第一个扇区最重要，里面有主要开机记录（Master boot record, MBR）及分区表（partition table），其中主要开机记录占 446 bytes，分区表占 64 bytes。

分区表只有 64 bytes，最多只能存储 4 个分区，这 4 个分区为主分区（Primary）和扩展分区（Extended）。其中扩展分区只有一个，它使用其它扇区用记录额外的分区表，因此通过扩展分区可以分出更多分区，这些分区称为逻辑分区。

Linux 也把分区当成文件，分区文件的命名方式为：磁盘文件名 + 编号，例如 /dev/sda1。注意，逻辑分区的编号从 5 开始。

2. GPT

不同的磁盘有不同的扇区大小，例如 512 bytes 和最新磁盘的 4 k。GPT 为了兼容所有磁盘，在定义扇区上使用逻辑区块地址（Logical Block Address, LBA），LBA 默认大小为 512 bytes。

GPT 第 1 个区块记录了主要开机记录（MBR），紧接着是 33 个区块记录分区信息，并把最后的 33 个区块用于对分区信息进行备份。这 33 个区块第一个为 GPT 表头纪录，这个部份纪录了分区表本身的位置与大小和备份分区的位置，同时放置了分区表的校验码 (CRC32)，操作系统可以根据这个校验码来判断 GPT 是否正确。若有错误，可以使用备份分区进行恢复。

GPT 没有扩展分区概念，都是主分区，每个 LAB 可以分 4 个分区，因此总共可以分 4 * 32 = 128 个分区。

MBR 不支持 2.2 TB 以上的硬盘，GPT 则最多支持到 233 TB = 8 ZB。

文件系统

文件

在LINUX系统中有一个重要的概念：一切都是文件。其实这是UNIX哲学的一个体现，而Linux是重写UNIX而来，所以这个概念也就传承了下来。在UNIX系统中，把一切资源都看作是文件，包括硬件设备。UNIX系统把每个硬件都看成是一个文件，通常称为设备文件，这样用户就可以用读写文件的方式实现对硬件的访问。

文件系统结构

1. 硬盘驱动（Device Driver）

常见的硬盘类型有PATA, SATA和AHCI等，在Linux系统中，对不同硬盘所提供的驱动模块一般都存放在内核目录树drivers/ata中，而对于一般通用的硬盘驱动，也许会直接被编译到内核中，而不会以模块的方式出现，可以通过查看/boot/config-xxx.xxx文件来确认：
CONFIG_SATA_AHCI=y
2. 通用块设备层（General Block Device Layer）

这一层的作用，正是解答了上面提出的第一个问题，不同的硬盘驱动，会提供不同的IO接口，内核认为这种杂乱的接口，不利于管理，需要把这些接口抽象一下，形成一个统一的对外接口，这样，不管你是什么硬盘，什么驱动，对外而言，它们所提供的IO接口没什么区别，都一视同仁的被看作块设备来处理。

所以，如果在一层做的任何修改，将会直接影响到所有文件系统，不管是ext3,ext4还是其它文件系统，只要在这一层次做了某种修改，对它们都会产生影响。

3. 文件系统

文件系统这一层相信大家都再熟悉不过了，目前大多Linux发行版本默认使用的文件系统一般是ext4，另外，新一代的btrfs也呼之欲出，不管什么样的文件系统，都是由一系列的mkfs.xxx命令来创建，如：
mkfs.ext4 /dev/sda

mkfs.btrfs /dev/sdb
内核所支持的文件系统类型，可以通过内核目录树 fs 目录中的内容来查看。

4. 虚拟文件系统(Virtual File System)

Virtual File System这一层，正是用来解决上面提出的第二个问题，试想，当我们通过mkfs.xxx系列命令创建了很多不同的文件系统，但这些文件系统都有各自的API接口，而用户想要的是，不管你是什么API，他们只关心mount/umount，或open/close等操作。

所以，VFS就把这些不同的文件系统做一个抽象，提供统一的API访问接口，这样，用户空间就不用关心不同文件系统中不一样的API了。VFS所提供的这些统一的API，再经过System Call包装一下，用户空间就可以经过SCI的系统调用来操作不同的文件系统。

VFS所提供的常用API有：
mount()
umount()

open()
close()

mkdir()
　　Linux启动时，第一个必须挂载的是根文件系统；若系统不能从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。因此，一个系统中可以同时存在不同的文件系统。
　　不同的文件系统类型有不同的特点，因而根据存储设备的硬件特性、系统需求等有不同的应用场合。在嵌入式Linux应用中，主要的存储设备为RAM(DRAM, SDRAM)和ROM(常采用FLASH存储器)，常用的基于存储设备的文件系统类型包括：jffs2, yaffs, cramfs, romfs, ramdisk, ramfs/tmpfs等。

文件存储结构

介绍文件存储结构前先来看看文件系统如何划分磁盘，创建一个文件、目录、链接的过程。

物理磁盘到文件系统

我们知道文件最终是保存在硬盘上的。硬盘最基本的组成部分是由坚硬金属材料制成的涂以磁性介质的盘片，不同容量硬盘的盘片数不等。每个盘片有两面，都可记录信息。盘片被分成许多扇形的区域，每个区域叫一个扇区，每个扇区可存储128×2的N次方（N＝0.1.2.3）字节信息。在DOS中每扇区是128×2的2次方＝512字节，盘片表面上以盘片中心为圆心，不同半径的同心圆称为磁道。硬盘中，不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。磁道与柱面都是表示不同半径的圆，在许多场合，磁道和柱面可以互换使用，我们知道，每个磁盘有两个面，每个面都有一个磁头，习惯用磁头号来区分。扇区，磁道（或柱面）和磁头数构成了硬盘结构的基本参数，帮这些参数可以得到硬盘的容量，基计算公式为：
存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数
要点：

（1）硬盘有数个盘片，每盘片两个面，每个面一个磁头
（2）盘片被划分为多个扇形区域即扇区
（3）同一盘片不同半径的同心圆为磁道
（4）不同盘片相同半径构成的圆柱面即柱面
（5）公式：存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数
（6）信息记录可表示为：××磁道（柱面），××磁头，××扇区

那么这些空间又是怎么管理起来的呢？unix/linux使用了一个简单的方法。
它将磁盘块分为以下三个部分：

1) 超级块

文件系统中第一个块被称为超级块。这个块存放文件系统本身的结构信息。比如，超级块记录了每个区域的大小，超级块也存放未被使用的磁盘块的信息。

2) I-切点表

超级块的下一个部分就是i-节点表。每个i-节点就是一个对应一个文件/目录的结构，这个结构它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。一个文件系统维护了一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一一个元素对应。系统给每个索引节点分配了一个号码，也就是该节点在数组中的索引号，称为索引节点号

3) 数据区

文件系统的第3个部分是数据区。文件的内容保存在这个区域。磁盘上所有块的大小都一样。如果文件包含了超过一个块的内容，则文件内容会存放在多个磁盘块中。一个较大的文件很容易分布上千个独产的磁盘块中。

Linux正统的文件系统(如ext2、ext3)一个文件由目录项、inode和数据块组成。
目录项:包括文件名和inode节点号。
Inode：又称文件索引节点，是文件基本信息的存放地和数据块指针存放地。
数据块：文件的具体内容存放地。

Linux正统的文件系统(如ext2、3等)将硬盘分区时会划分出目录块、inode Table区块和data block数据区域。一个文件由一个目录项、inode和数据区域块组成。Inode包含文件的属性(如读写属性、owner等，以及指向数据块的指针)，数据区域块则是文件内容。当查看某个文件时，会先从inode table中查出文件属性及数据存放点，再从数据块中读取数据。

文件存储结构大概如下：

目录项结构

其中文件的inode结构如下（inode里所包含的文件信息可以通过stat filename查看得到）：

文件操作

创建一个文件的过程

我们从前面可以知道文件的内容和属性是分开存放的，那么又是如何管理它们的呢?现在我们以创建一个文件为例来讲解。
在命令行输入命令：
$ who > userlist
当完成这个命令时，文件系统中增加了一个存放命令who输出内容的新文件userlist。那么这整个过程到底是怎么回事呢？
文件主要有属性、内容以及文件名三项。内核将文件内容存放在数据区，文件属性存放在i-节点，文件名存放在目录中。
创建成功一个文件主要有以下四个步骤：

存储属性

也就是文件属性的存储，内核先找到一块空的i-节点。例如，内核找到i-节点号921130。内核把文件的信息记录其中。如文件的大小、文件所有者、和创建时间等。

存储数据

即文件内容的存储，由于该文件需要3个数据块。因此内核从自由块的列表中找到3个自由块。如600、200、992，内核缓冲区的第一块数据复制到块600，第二和第三分别复制到922和600.

记录分配情况

数据保存到了三个数据块中，所以必须要记录起来，以后再找到正确的数据。分配情况记录在文件的i-节点中的磁盘序号列表里，这3个编号分别放在最开始的3个位置。

添加文件名到目录

新文件的名字是userlist 内核将文件的入口(47,userlist)添加到目录文件里。文件名和i-节点号之间的对应关系将文件名和文件和文件的内容属性连接起来，找到文件名就找到文件的i-节点号，通过i-节点号就能找到文件的属性和内容。
代码具体实现过程参考：

http://blog.csdn.net/kai_ding/article/details/9206057

创建一个目录的过程

前面说了创建一个文件的大概过程，也了解文件内容、属性以及入口的保存方式，那么创建一个目录时又是怎么回事呢？
我现在test目录使用命令mkdir 新增一个子目录child：

从用户的角度看，目录child是目录test的一个子目录，那么在系统中这层关系是怎么实现的呢？实际上test目录包含一个指向子目录child的i-节点的链接，原理跟普通文件一样，因为目录也是文件。

目录其实也是文件，只是它的内容比较特殊。所以它的创建过程和文件创建过程一样，只是第二步写的内容不同。

系统找到空闲的i-节点号887220,写入目录的属性
找到空闲的数据块1002来存储目录的内容，只是目录的内容比较特殊，包含文件名字列表，列表一般包含两个部分：i-节点号和文件名，这个列表其实也就是文件的入口，新建的目录至少包含三个目录”.”和”..”其中”.”指向自己，”..”指向上级目录，我们可以通过比较对应的i-节点号来验证,887270 对应着上级目录中的child对应的i-节点号
记录分配情况。这个和创建文件完全一样
添加目录的入口到父目录，即在父目录中的child入口

一般都说文件存放在某个目录中，其实目录中存入的只是文件在i-节点表的入口，而文件的内容则存储在数据区。我们一般会说“文件userlist在目录test中”,其实这意味着目录test中有一个指向i-节点921130的链接，这个链接所附加的文件名为userlist,这也可以这样理解：目录包含的是文件的引用，每个引用被称为链接。文件的内容存储在数据块。文件的属性被记录在一个被称为i-节点的结构中。I-节点的编号和文件名关联起来存在目录中。
注意：其中“.”表示是当前目录。而“..”是当前目录的父目录。但也有特殊情况：如我们查看根目录/的情况:

发现“.”和“..”都指向i-节点2。实际上当我们用mkfs创建一个文件系统时，mkfs都会将根目录的父目录指向自己。所以根目录下.和..指向同一个i-节点也不奇怪了。
代码具体实现参考：

http://blog.csdn.net/kai_ding/article/details/9206057