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LinuxExt系列文件系统

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【Linux】Ext系列文件系统

1. 整体学习思维导图

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/ddfeed046a024e0ab5bfccc8b46324f1.png

2. 认识理解磁盘

了解文件系统离不开存储文件的硬件–磁盘，我们需要认识一下磁盘的构造！

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/bc2ee5eb235942569c5c817f339b4e3e.png

磁盘如图所示，我们可以看见许多部件：磁头，盘片，机械臂杆，主轴等等，并且一个磁盘由多个盘片构成，一张盘片的正反面都可以存储信息，正反也存在着两个读写的磁头。

存储原理

首先需要定位到需要读取的 柱面， 然后确定对应的 磁头 ， 此时的盘片正在高速转动，磁头定位到我们需要读取的 扇区 ，我们知道盘片由一个个小的磁性分子组成，磁性存在着两级正好对应计算机中的0和1，写入文件时我们只需要改变其磁性即可实现，读取文件时我们收集其磁性的排列进行解读即可得到信息。

  • CHS定址

指的就是我们前面定位的过程：先确定柱面(cylinder)，次之磁头(head)，最后是扇区(sector)！

物理结构

我们从硬件物理的角度来看，磁盘由一个个盘片构成，物理结构是一种圆形的，那么磁盘在我们计算机是以什么样的存储方式描述的呢？答案是线性的结构，类似于数组一样的，那么圆形怎么到线性的结构？我们知道盘片就像一圈圈的 磁道 “卷"起来的,我们将他舒展开来不就是一个线性的结构吗？

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/e5f13c498a1248318ff6e9e0c39916dc.png

逻辑结构

对于一个盘片来说磁道展开是一个一维数组，我们的磁盘由多个盘片组成，多个盘片构成的就是柱面，这个柱面的构造展示给我们的就是一个多维数组的样子：

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/dd55398a313347beaab1aea19da7a8f1.png

  • 多个柱面

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/43d0566b64f74aaf801049898e9be2ea.png

但是在我们所学的c/c++底层中的多维数组最后还是一个线性的一维数组，我们将柱面拼接起来，磁盘拼接起来，我们就会得到一个线性的数组结构！

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/c7efb63ee2764ef69ea71d2ee1b49c49.png

CHS && LAB 定址

OS文件系统访问磁盘，不以扇区为单位，而是以"块"为单位，一般单次访问是4KB(连续的8个扇区)，这个访问的大小可以调整。对于物理磁盘来说是CHS寻址，但是对于OS来说就需要换一种形式的寻址->LAB！

  • LAB和CHS的相互转换

    • **LAB = 柱面号 *** 磁头 数 * 每个 磁道 的 扇区 个数 + 磁头号 * 每个磁道的扇区个数 + 扇区个数 - 1（-1是因为LAB地址从0开始，扇区号基本从1开始）
    • CHS = LAB % ( 磁头 数 * 每个 磁道 的 扇区 个数) + LAB % (磁头号 * 每个磁道的扇区个数) + LAB % (每个磁道的扇区个数) + 1

有了这个转换关系，我们OS就可以使用一串数字去访问对应的磁盘位置了！

3. 文件系统

3.1 块的概念

我们前面提到过"块”，单次访问扇区的速率太低，我们OS一次访问8个扇区，我们将其命名为一个块,块的大小常见的是4KB,“块"是文件存储的最小单位

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ ~]$ stat Linux_Git/
  File: ‘Linux_Git/’
  Size: 4096              Blocks: 8          IO Block: 4096   directory
Device: fd01h/64769d        Inode: 1315336     Links: 3
Access: (0775/drwxrwxr-x)  Uid: ( 1001/  ouyang)   Gid: ( 1001/  ouyang)
Access: 2025-02-27 10:18:08.496640943 +08:00
Modify: 2025-02-27 10:18:06.488552668 +08:00
Change: 2025-02-27 10:18:06.488552668 +08:00
 Birth: -

块号 = LAB / 8

3.2 分区的概念

我们知道现在计算机的存在着好几个盘：C/D/E等等，其实底层他们是一块总的内存是通过分区来实现多个盘的，比如一个800G的存储，我们可能会以300G为单位分区为3个区，每个区含有大量的快组成：

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/3e7266edb9b14175bae48e562aa6ec6f.png

一个分区又可以分为多个组，每个组这边以30G来划分：

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/428f8fba8de848fab156286ba6e6b435.png

3.3 inode概念

我们之前了解过一个 文件 = 内容 + 属性 组成的，在Linux中文件的内容和属性是分开存储的，每个文件的属性被存储在一个结构体中 struct inode 之中。

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ ~]$ ls -l
total 28
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Dec 15 11:00 dir_2024_12_11
drwxrwxr-x 4 ouyang ouyang 4096 Dec 16 08:40 dir_2024_12_15
drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Dec  8 10:40 dir_2024_12_3
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Dec 11 16:04 dir_2024_12_8
drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Jan 25 11:44 dir_2025
drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Feb 27 10:18 Linux_Git
-rw-rw-r-- 1 ouyang ouyang  827 Oct 23 15:00 vimrc-install.sh
struct inode
{
    int type;
    int size;
    ....
    int inode_number; // inode号
};

这个结构体的大小是固定的128字节，一个数据块4KB可以存储32个inode,并且每一个文件都有一个inode，并且inode内部有一个标识符叫做inode号。

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/8b2ff68bbb4a4e5facf335af0b39bfbc.png

• 文件名属性并未纳入到inode数据结构内部

• inode的大小⼀般是128字节或者256，我们后面统⼀128字节

• 任何文件的内容大小可以不同，但是属性大小⼀定是相同的

4. Ext2文件系统

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/7d1a862241ba4c6a81add1f71d25c63a.png

每个分区会被划分为多个 Block Group(块组) ,进一步划分是为了更加方便管理。

  • Data Blocks

这一块区域主要用于存储文件的内容部分

  • Inode Table

这块区域主要用于存储文件的属性部分，使用结构体存储

  • Block/Inode Bitmap

位图部分，主要是用于表示Data Blocks/Inode Table某个块是否被占用，更加快速找到未占用的块进行访问

  • GDT

块组描述符，描述块组的属性信息，整个分区被划分为多少块组就存在多少GDT，GDT用于存储一个块组的描述信息，比如从哪到哪是Data Blocks/Inode Table/（Block/Inode Bitmap），还存在多少空闲的inode和数据块等等。

  • Super Block

是描述整个文件操作系统的描述符，和GDT的作用相似。记录的信息主要有：bolck和inode的总量，未使用的block和inode的数量，⼀个block和inode的大小，最近⼀次挂载的时间，最近⼀次写入数据的时间，最近⼀次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。SuperBlock的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。

注意 ：

  • 每个分区内部，inode编号和块号都是唯一的，所以我们只需要拿到inode_number就可以知道文件在哪个分组之中。
  • 格式化的本质：我们平时可能有过这种感觉：下载一个软件很慢，删除一个软件很快。这是为什么呢？我们下载一个软件是需要实打实的写入到 Data Blocks ,但是我们删除一个软件只需要将其对应的位图位置改为未占用，后来的数据直接覆盖写入即可！

5. Linux下的目录

首先我们知道以下几点：

  • inode中并没有保存文件名，那么文件名保存在哪？

    • 文件名保存在当前文件所在的目录文件之中，那么目录文件名呢？保存在根目录文件之中，根目录文件名由OS管理加载。

  • 我们平时使用Linux系统寻找文件，都是路径+文件名，并没有使用inode号寻找，为什么可以找到？

    • 存在一个映射的哈希表管理者文件名和inode号的映射关系。

由以上两点我们得到一个信息：我们访问任何文件都需要其对应的路径进行查找，并且这个路径由/路径开始，对这个路径进行解析找到对应的文件内容块无疑是一次I/O操作，这会带来效率问题，因此OS在进行路径解析时候，会把我们历史访问的所有目录(路径)形成一棵多叉树进行保存，Linux系统的树状目录结构就是这么来的。

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ linux_-git_-warehouse]$ tree dir_2025_1_10
dir_2025_1_10
└── Test.cpp

0 directories, 1 file

Linux中，在内核中维护树状路径结构的内核结构体叫做： struct dentry

5.1 挂载分区

我们已经能够根据inode号在指定分区找文件了，也已经能根据目录文件内容，找指定的inode了，在指定的分区内，我们可以为所欲为了。可是：

问题：inode不是不能跨分区吗？Linux不是可以有多个分区吗？我怎么知道我在哪⼀个分区？？？

  • 磁盘->分区->格式化->我们不能使用该分区，需要有一个目录进行关联才可以使用！
  • 分区写入文件系统，无法直接使用，需要和指定的目录关联，进行挂载才能使用。所以，可以根据访问目标文件的"路径前缀"准确判断我在哪⼀个分区。通过这样进入一个目录就相当于进入一个分区。

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/9bdc6b217c2447fcb2f40c34d55685a5.png

6. 软硬链接

6.1 概念/应用

  • 软连接：
ln -s obj desc
ln -s code_soft /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/code.c(绝对路径)

软链接是一个独立的文件，他拥有独立的 inode number ,软连接相当于创建一个快捷方式

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/d29bc58d080c4cabaf38134b06402b6e.png

  • 硬链接：
ln  obj desc
ln  code_head /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/code.c(绝对路径)
[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ linux_-git_-warehouse]$ ll
total 92
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Dec 24 10:21 dir_2024_12_23
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Feb 22 21:52 dir_2024_12_24
[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ dir_2025_3_2]$ sudo ln code_Hard /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/Test.c 
[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ dir_2025_3_2]$ ls -li
total 8
1315789 -rw-rw-r-- 2 ouyang ouyang    0 Mar  3 09:35 code_Hard
1315786 drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Mar  3 09:29 dir
1315788 -rw-rw-r-- 1 ouyang ouyang    0 Mar  3 09:31 Test
1315789 -rw-rw-r-- 2 ouyang ouyang    0 Mar  3 09:35 Test.c
1315783 drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Mar  3 09:27 Test_Dir

硬链接之后，不是一个独立的文件，文件的 inode number 相等，相当于一个引用，对应的引用计数会++，可以用作于备份，只有当连接数为0时，磁盘才会释放其文件的空间内容！

硬链接的新文件名也和原本的 inode number 进行了一次映射关系！

  • 我们在删除文件时干了两件事情：1.在目录中将对应的记录删除，2.将硬连接数-1，如果为0，则将对应的磁盘释放。
  • . / .. 表示当前目录和上级目录也是硬链接的一种使用！

探究硬链接：

  • 硬链接只能给普通文件建立，不能给目录建立！
[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ dir_2025_3_2]$ ln Dir_link_hard /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/Test_Dir/
ln: ‘Dir_link_hard’: hard link not allowed for directory

  • 问题：为啥 . 和 .. 文件是对目录的硬链接？这不和上面构成矛盾吗?

    • Linux 允许给 . 和 .. 建立硬链接，不允许用户自己对目录建立硬链接
    • 不允许用户建立链接是防止树结构查找出现路径循环问题！

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/ae3f5a811c7741d68e169cb88d767657.png

  • . 和 .. 的名字是特殊处理的，就是为了防止路径循环问题，也是为了方便用户操作！

  • 软连接不也是会带来路径循环问题吗，如果说硬链接的处理方式是特殊名字，软连接的处理方式是什么？

    https://i-blog.csdnimg.cn/direct/80f5262161ed49d69e6e13a8ed9b674d.png

软连接文件前带了一个 l 作为区分！

更新于 2025-03-12
 软硬链接, 物理磁盘, Linux, Ext, C
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