Linux文件系统【真的很详细】

目录

 一.认识磁盘

1.1磁盘的物理结构

1.2磁盘的存储结构

1.3磁盘的逻辑存储结构

二.理解文件系统 

2.1如何管理磁盘

2.2如何在磁盘中找到文件 

2.3关于文件名


哈喽,大家好。今天我们学习文件系统,我们之前在Linux基础IO中研究的是进程和被打开文件之间的关系,以及如何管理被打开的文件。那么,在磁盘中没有被打开的文件应该怎样管理呢?今天,我们一块研究一下。我们开始啦!

 一.认识磁盘

磁盘作为硬件中的唯一一个机械结构,在计算机系统中的地位不言而喻,所以,我们有必要好好了解一下我们的磁盘。

1.1磁盘的物理结构

  • 随着计算机的更新换代,我们现在的笔记本上很少见到磁盘了。取自换代的是固态硬盘(ssd)。所以固态硬盘也要相对贵一些。磁盘作为一个机械结构,并且是外设,这就决定了访问磁盘的速度是很慢的(相对于CPU或者内存)。
  • 在企业中,磁盘依旧是存储的主流。因为:1.固态硬盘比较贵,磁盘相对来说比较便宜。2.磁盘的存储容量比较大,适合海量数据的存储。3.ssd有一个巨大的缺点:ssd如果传输次数过多,就会出现被击穿的情况,造成数据丢失;在企业中,高并发的情况非常常见,所以极其不适合在企业中使用。

磁盘是由很多盘片叠加在一起的。 一个盘片有两个盘面,每个盘面都可以读取数据,每个盘面都有磁头,盘片数=磁头数=盘面数*2

1.2磁盘的存储结构

在宏观的世界里,看起来盘面很光滑,但是在显微镜下,盘面是很粗糙的。

下面,先给大家介绍几个概念

  • 在一个盘面中,以中间的马达为圆心,会存在很多的同心圆,这些同心圆叫做磁道。磁头在旋转的过程就是确认在哪一个磁道的过程。
  • 磁盘中每一个磁道被等分为若干个相同的弧段,这些弧段便是磁盘的扇区,扇区是磁盘寻址的最小的单位。扇区的大小都是512字节。虽然距离圆心越远,扇区的长度越大,但是,我们可以使用存储的密度加以控制。使其存储的数据量相同,便于管理。盘片在旋转的过程就是确认在哪一个扇区的过程。
  • 为了方便管理,我们可以对不同的磁道进行编号,然后在同一磁道下对不同扇区再进行编号。

每个盘面对应一个磁头。所有的磁头都是连在同一个磁臂上的,因此所有磁头只能“共进退”。

所有盘面中相对位置相同的磁道组成柱面。如上图,柱面的存在使得更为方便的找到每一块扇区。

如何在多块磁片中,定位到一块扇区呢?

 先定位在哪一个磁盘(cylinder),也就是柱面(Track),再定位在哪一个盘面(head),最后定位扇区(sector)。我们可以定位任何一个扇区,也就可以定位任意多个扇区。

 磁盘中定义一个扇区,采用硬件的方式:CHS定位法。

1.3磁盘的逻辑存储结构

大家有没有见过磁带:

等待一盘磁带不用了,我们总是把里面黑色的磁带给扯出来,然后玩!磁带卷起来是圆形的(也是由很多同心圆构成的),扯出来是线性的。我们再看我们的磁盘,怎么和磁带这么相似呢?我们可以把整个磁盘全部抽象给一个线性结构。

磁盘物理上是一种圆形结构,我们可以想象成线性结构!如图:假设一块磁盘由2块盘片组成,所以就有4个盘面,一个盘面由7条磁盘构成,一个磁道又分成了8个沙区

就这样,我们把磁盘从逻辑上看做一个sector arr[4*7*8]的数组,所以由原来的对磁盘的管理变成了对数组的管理,这不就是我们常提到的先描述,再组织嘛!!

现在,这该死的磁盘已经被我们给想象成了一个数组,要找到一个扇区,该怎么找呢? 

只要知道这个扇区的下标,就算定位了一个扇区。在操作系统内部,我们称这个下标为LBA地址(逻辑块地址)。


现在有一块磁盘,相关数据如下:问:LBA地址为123的扇区位置?

为什么OS要对存储结构做逻辑抽象呢?直接用CHS不可以吗?

  • 便于管理。
  • 不想让代码和硬件强耦合。 

虽然磁盘访问的最小单位是512字节,但是依旧很小!OS内的文件系统定制的进行多个扇区的读取(一次读取4KB的数据)哪怕只想读取一个比特位,必须将4KBload到内存,进行读取或者读取。如果有必要再写回磁盘。这是一种以空间换时间的方式。

但这样,有时会显得非常浪费,比如我要读取的数据只有几个字节的大小,OS也要给我们一次性的读取4KB的数据。但这背后有一个原理叫做:局部性原理:从理论上证明了计算机要访问一段数据时,这段数据周围的数据也有较大的可能性被访问到。所以,真实的内存是以4KB为单位被操作系统读取的。磁盘中的文件(尤其是可执行文件),按4KB大小划分好的区域。

二.理解文件系统 

2.1如何管理磁盘

假设一个磁盘为500GB。操作系统说:“卧槽,这么大,怎么管呀?”。 虽然难管,但是这点问题难不住我们的工程师。他们将整个磁盘分区,每个区分出100GB甚至更小的空间,然后对每个区进行分组,每组分出5GB的空间,就这样分下去,直到方便管理为止。虽然5GB的空间很小了,但是对于500GB来说这就是小巫见大巫。这种思想叫做分治思想。一个5GB的空间管理好了,然后对刮管理方法进行复制,不就管理好整个磁盘了嘛 !。

就像我们同学在学校一样:一位同学,必定属于哪一个宿舍,这件宿舍必定属于哪一个班级,这个班级必定是属于哪一个专业,这个专业必定是属于哪一个学院,这个学院一定属于学校。这不就是在利用分治思想来进行管理嘛!

 

 

文件=内容+属性,Linux下的内容和属性是分批存储的,但是一个未打开的文件的内容和属性信息都存储在哪里呢?

  • 文件属性存储在Inode中,Inode是固定大小,一个人文件,一个Inode。一个文件的所有属性几乎都存储在Inode中,但是文件名并不存储在Inode中。
  • 文件的内容存储在data  block数据块中,数据块随着应用类型的变化,大小也会发生变化。

关于Inode属性集合

  • 由于每个文件都有Inode,为了区分彼此,每个Inode都有自己的编号。编号是以组为单位进行编的。

那么,在Linux下,如何查看文件的inode编号呢?

 

 inode table:

保存分组内部所有可用的(已经使用+没有使用)的inode。

Data blocks:

 保存分组内部所有可用的(已经使用+没有使用)的数据快。

如果我们要创建一个文件,怎么办?

  1. 查找没有使用的Inode,然后把属性写入Inode中。
  2. 查找没有使用的数据块,然后把内容写入数据块。

所以,我们创建文件的过程,离不开查找。如何查找呢?

 Inode Bitmap:

Inode对应的位图结构。假设inode一共有n个,位图结构中的比特位的个数至少也为n个。

位图中比特位的位置与当前文件的对应的ID是一一对应的,比特位的1和0表示是否被占用。 

block Bitmap:

数据块对应的位图结构。位图中比特位的位置和当前data block对应的数据块的位置是一一对应的。 

 如果要知道inode一共有多少个,没有使用的是多少个,如果通过计算获取结果,效率太低了,这时Group Descriptor Table出现了。

Group Descriptor Table:

包含对应分组的宏观属性信息,包括:一共有多少个数据块,使用了多少;一共有多少个Inode,使用了多少等等。 

Super Block
超级块(Super Block):存放文件系统本身的结构信息。
  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。Super Block的信息被破坏,可以说整个文件系统结构就被破坏了。

  并且超级块通常在分组内多个组有一个超级块,在系统中是有一定比例的,假设我一个100G的分区有1000个分组,每20个分组就有一个super block,那么总共就有50个超级块。为什么需要这些超级块呢?本质上还是为了数据备份,如果某个块组或者inode丢失,那么就 可以通过super block来进行恢复。

2.2如何在磁盘中找到文件 

 查找一个文件,要通过Inode编号。

  • 通过inode bitmap 查找对应的比特位的位置是1还是0
  • 如果这个编号被占用,在inode Table找到这个Inode,然后确定一下是否是我们要查找的文件。

但是,如果我要得到这个文件的内容呢?

inode在内核中的结构如下:

struct inode {umode_t         i_mode;//文件的访问权限(eg:rwxrwxrwx)unsigned short      i_opflags;kuid_t          i_uid;//inode拥有者idkgid_t          i_gid;//inode拥有者组idunsigned int        i_flags;//inode标志,可以是S_SYNC,S_NOATIME,S_DIRSYNC等#ifdef CONFIG_FS_POSIX_ACLstruct posix_acl    *i_acl;struct posix_acl    *i_default_acl;
#endifconst struct inode_operations   *i_op;//inode操作struct super_block  *i_sb;//所属的超级快/*address_space并不代表某个地址空间,而是用于描述页高速缓存中的页面的一个文件对应一个address_space,一个address_space与一个偏移量能够确定一个一个也高速缓存中的页面。i_mapping通常指向i_data,不过两者是有区别的,i_mapping表示应该向谁请求页面,i_data表示被改inode读写的页面。*/struct address_space    *i_mapping;#ifdef CONFIG_SECURITYvoid            *i_security;
#endif/* Stat data, not accessed from path walking */unsigned long       i_ino;//inode号/** Filesystems may only read i_nlink directly.  They shall use the* following functions for modification:**    (set|clear|inc|drop)_nlink*    inode_(inc|dec)_link_count*/union {const unsigned int i_nlink;//硬链接个数unsigned int __i_nlink;};dev_t           i_rdev;//如果inode代表设备,i_rdev表示该设备的设备号loff_t          i_size;//文件大小struct timespec     i_atime;//最近一次访问文件的时间struct timespec     i_mtime;//最近一次修改文件的时间struct timespec     i_ctime;//最近一次修改inode的时间spinlock_t      i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */unsigned short          i_bytes;//文件中位于最后一个块的字节数unsigned int        i_blkbits;//以bit为单位的块的大小blkcnt_t        i_blocks;//文件使用块的数目#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDEREDseqcount_t      i_size_seqcount;//对i_size进行串行计数
#endif/* Misc */unsigned long       i_state;//inode状态,可以是I_NEW,I_LOCK,I_FREEING等struct mutex        i_mutex;//保护inode的互斥锁//inode第一次为脏的时间 以jiffies为单位unsigned long       dirtied_when;   /* jiffies of first dirtying */struct hlist_node   i_hash;//散列表struct list_head    i_wb_list;  /* backing dev IO list */struct list_head    i_lru;      /* inode LRU list */struct list_head    i_sb_list;//超级块链表union {struct hlist_head   i_dentry;//所有引用该inode的目录项形成的链表struct rcu_head     i_rcu;};u64         i_version;//版本号 inode每次修改后递增atomic_t        i_count;//引用计数atomic_t        i_dio_count;atomic_t        i_writecount;//记录有多少个进程以可写的方式打开此文件const struct file_operations    *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */struct file_lock    *i_flock;//文件锁链表struct address_space    i_data;
#ifdef CONFIG_QUOTAstruct dquot        *i_dquot[MAXQUOTAS];//inode磁盘限额
#endif/*公用同一个驱动的设备形成链表,比如字符设备,在open时,会根据i_rdev字段查找相应的驱动程序,并使i_cdev字段指向找到的cdev,然后inode添加到struct cdev中的list字段形成的链表中*/struct list_head    i_devices;,union {struct pipe_inode_info  *i_pipe;//如果文件是一个管道则使用i_pipestruct block_device *i_bdev;//如果文件是一个块设备则使用i_bdevstruct cdev     *i_cdev;//如果文件是一个字符设备这使用i_cdev};__u32           i_generation;#ifdef CONFIG_FSNOTIFY//目录通知事件掩码__u32           i_fsnotify_mask; /* all events this inode cares about */struct hlist_head   i_fsnotify_marks;
#endif#ifdef CONFIG_IMAatomic_t        i_readcount; /* struct files open RO */
#endif//存储文件系统或者设备的私有信息void            *i_private; /* fs or device private pointer */
};

其中,有一个关于数组块的数组,data block block[15]。

 

这个数组元素的个数是固定的。但并表示这个文件可以写入的数据量是一定的。如图:每一个数据块都有自己的编号,这个数组中存放的就是该文件所使用的数据块的编号,通过这个数组就可以实现我们查找内容的行为。虽然只有15元素,但并不代表我们仅可以使用15个数据块。从下表为12的元素开始,所指向的数据块里边保存的是其他数据块的编号,下一级数据块中的内容可以使下下一级数据块的编号。如此,就可以增加我们可使用数据块的个数。为了便于大家理解,做如下图:

所以,我们就顺利完成了文件的查找工作,那么,如何删除一个文件呢? 

删除文件就太简单了,只需要找到这个文件,然后将这个文件的Inode编号对应的比特位由1置为0就可以了。然后将block bitmap由1置为0就可以了。(惰性删除)

这里并没有直接删除数据块,所以Linux下删除是可以恢复的。

2.3关于文件名

这是什么鬼?我们不是说可以根据inode编号查找文件嘛,这里为什么不可以使用编号查找呀 ?

我们说:Linux下一切皆是文件。其实,目录本身就是一个文件,文件的属性容易理解,但是,文件的内容是什么呢?

目录文件的内容就是编号和文件名之间的映射关系,所以,我们之前提到再inode中不需要存储文件名。记录文件名是目录的事情。

 写到最后,因水平有限,文中难免会出现错误,请各位大佬指正!!

本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。如若转载,请注明出处:http://www.mzph.cn/news/853261.shtml

如若内容造成侵权/违法违规/事实不符,请联系多彩编程网进行投诉反馈email:809451989@qq.com,一经查实,立即删除!

相关文章

【DevOps】 什么是容器 - 一种全新的软件部署方式

目录 引言 一、什么是容器 二、容器的工作原理 三、容器的主要特性 四、容器技术带来的变革 五、容器技术的主要应用场景 六、容器技术的主要挑战 七、容器技术的发展趋势 引言 在过去的几十年里,软件行业经历了飞速的发展。从最初的大型机时代,到后来的个人电脑时代,…

「前端+鸿蒙」鸿蒙应用开发-ArkTS语法说明-组件声明

ArkTS 是鸿蒙应用开发中的一个框架,它允许开发者使用 TypeScript 语法来创建声明式的用户界面。在 ArkTS 中,组件声明是构建 UI 的基础。以下是 ArkTS 快速入门的指南,包括组件声明的语法说明和示例代码。 ArkTS 快速入门 - 语法说明 - 组件声明 组件基础 在 ArkTS 中,组…

【Mongodb-01】Mongodb亿级数据性能测试和压测

mongodb数据性能测试 一,mongodb数据性能测试1,mongodb数据库创建和索引设置2,线程池批量方式插入数据3,一千万数据性能测试4,两千万数据性能测试5,五千万数据性能测试6,一亿条数据性能测试7&am…

Rust 的编译时间过长

Rust 代码的编译时间可能会比某些其他编程语言长,原因有以下几点: Rust 使用了静态类型,这意味着编译器需要更多的时间来验证类型安全性。与动态类型的语言相比,这可能会导致编译时间变长。Rust 的编译器在进行许多优化时需要大量…

MySQL-----InnoDB的自适应哈希索引

InnoDB存储引擎监测到同样的二级索引不断被使用,那么它会根据这个二级索引,在内存上根据二级索引树(B树)上的二级索引值,在内存上构建一个哈希索引,来加速搜索。 查看是否开启自适应哈希索引 show variables like innodb_adapti…

JavaScript常见面试题(一)

文章目录 1. JavaScript有哪些数据类型,它们的区别?2.数据类型检测的方式有哪些3. 判断数组的方式有哪些4.null和undefined区别5.typeof null 的结果是什么,为什么?6.intanceof 操作符的实现原理及实现7.为什么0.10.2 ! 0.3&…

Fluent固体运动的设置方法(1)

1 概述 固体运动是某些CFD问题中必须要考虑的因素,如风扇的旋转。相关问题可分类如下: 问题类型是否为刚体运动规律是否已知无特定称呼YY六自由度运动问题YN流固耦合问题NN 在 Fluent 中,有多种方法表征固体运动,包括&#xff1…

大数据—什么是大数据?

大数据是指所涉及的资料量规模巨大到无法透过主流软件工具,在合理时间内达到撷取、管理、处理、并整理成为帮助企业经营决策更积极目的的资讯。想要更加全面地了解大数据的概念,可以从以下几个维度进行介绍: 大数据的定义: 基本…

BBS (CUTE): 1.0.2

BBS (CUTE): 1.0.2 https://www.vulnhub.com/entry/bbs-cute-102,567/ 靶场配置网络 登陆时按e 修改rw signie init/bin/bash 按Ctrlx 进入 root(none) 模式 ip add 看到网卡名字叫做ens33 需要修改网卡配置文件 vi /etc/network/interfaces allow-hotplug ens33 iface ens33 …

Highcharts 动态图

Highcharts 动态图 Highcharts 是一个流行的 JavaScript 图表库,广泛用于网页中创建交互式和动态的数据可视化。它支持多种图表类型,如折线图、柱状图、饼图等,并且可以轻松地与各种数据源集成。Highcharts 的动态图功能使其成为展示实时数据或用户交互驱动的更新的理想选择…

本地模型一键上传modelscope

ModelScope官网主页 存放大模型大文件 安装依赖 apt install git-lfs pip3 install modelscope上传 from modelscope.hub.api import HubApi import os, jsonYOUR_ACCESS_TOKEN 请从ModelScope个人中心->访问令牌获取 MODEL_ID "yourname/your_model_id" LO…

联合体(union)的定义以及它与结构体的区别是什么

联合体(union)是C/C提供的一种数据定义格式,其特点是将多个占据同一内存单元的成员放在一起。在union内部定义的所有成员都共享内存的起始位置,即它们共同使用同一块内存空间,并且同时只有一个成员可以得到这块内存的使…

C语言猜输赢游戏

目录 开头游戏的程序游戏的流程图结尾 开头 大家好&#xff0c;我叫这是我58&#xff0c;现在&#xff0c;请你看一下下面的游戏程序。 游戏的程序 #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 #include <stdio.h> #include <Windows.h> int main() {int i 1;int ia 0…

【医学图像处理】从ADNI中下载样本的MMSE数据

MMSE是什么&#xff1f; 简易精神状态检查&#xff08;MMSE&#xff0c;Mini-Mental State Examination&#xff09;是一种广泛使用的认知功能评估工具。它通常用于临床和研究环境中筛查痴呆症及评估其严重程度。MMSE通过考察患者的多种认知功能来进行评估&#xff0c;包括算术…

pg和oracle的区别

1、从功能上来说pg要比oracle数据库弱。 2、pg不支持索引组织表。 pg和oracle的相似之处&#xff1a; 1、使用共享内存的进程结构&#xff0c;客户端与数据库服务器建立一个连接后&#xff0c;数据库服务器就启动一个进程为这个连接服务。这与mysql的线程模型不一样。 2、p…

深度学习(八)——神经网络:卷积层

一、卷积层Convolution Layers函数简介 官网网址&#xff1a;torch.nn.functional — PyTorch 2.0 documentation 由于是图像处理&#xff0c;所以主要介绍Conv2d。 class torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride1, padding0, dilation1, groups1, b…

C++初学者指南第一步---3.输入和输出(基础)

C初学者指南第一步—3.输入和输出&#xff08;基础&#xff09; 1. I/O Streams(I/O流) #include <iostream>int main () {int i;// read value into istd::cin >> i; // print value of istd::cout << i << \n; }数据的来源和目标 …

C++基础之红黑树

二叉搜索树 二叉搜索树&#xff08;Binary Search Tree&#xff0c;BST&#xff09;是一种二叉树&#xff0c;具有以下性质&#xff1a; 左子树节点值小于根节点值&#xff1a;对于树中的每个节点 x&#xff0c;其左子树中所有节点的值都小于 x 的值。右子树节点值大于根节点值…

解决MyBatis获取刚插入数据的ID值

解决MyBatis获取刚插入数据的ID值 Mybatis获取刚插入数据的ID值有很多解决方法&#xff0c;目前采用以下方式进行获取。 添加完数据后直接返回刚添加数据的id // UserDao.java public static void addUser() throws Exception{InputStream resourceAsStream Resources.getR…

springboot 项目中自定义注解,实现对日志的记录

第一步自定义注解 Retention(RetentionPolicy.RUNTIME) Target(ElementType.METHOD) public interface LogEntry {LogLevel value() default LogLevel.INFO;// 日志级别LogCzlxEnum logCzlx() default LogCzlxEnum.QUERY;// 日志类型String logContent() default ""…