Linux運維實戰之文件系統、鏈接文件

計算機操作系統作為最重要的系統軟件，被用戶直接使用的部分就是它的文件管理。因為用戶使用計算機遇到的首要問題是如何保存程序和數據，然後如何查找、復制、刪改它們。文件管理就是為用戶的這些問題而設置的。

本次博文的主要內容：

1、文件系統基礎（文件的概念、分類及存儲機制）

2、從文件系統管理機制角度理解文件的復制、移動和刪除

3、ext文件系統的擴展屬性

4、硬鏈接和軟鏈接

一、文件系統基礎：

1、什麼是文件系統：

操作系統中負責管理和存取文件信息的軟件機構叫做文件系統。文件系統的目標是向用戶提供簡便、統一的使用文件的界面，實現文件按名存取。用戶使用界面中的命令，按照文件的邏輯結構，直觀、透明地對文件實施操作（所謂透明，是指用戶不必了解文件存放的物理結構、查找方法、I/O實現細節等與存儲介質有關的特性，就能完成對文件的有關操作）

2、文件系統的分類：

操作系統的文件系統按組成單位分為兩類：

（1）流式文件：構成流式文件的基本單位是字符，即流式文件是具有符號名且在邏輯意義上完整的有窮字符流序列。如Linux、UNIX、OS/2、windows等都采用流式文件形式。

（2）記錄式文件：構成記錄式文件的基本單位是記錄，所謂記錄，是一段有獨立意義的信息集合。如學生成績文件，是由全部學生的成績記錄組成的，每個記錄包括學生的姓名、學號、各科成績等多個字段。

3、Linux系統中的文件類型：

Linux系統中，文件被分為3類：

（1）目錄文件：全部由目錄組成的文件

（2）普通文件：由系統文件、用戶文件、實用程序文件、庫文件組成

（3）特別文件：所有的輸入/輸出設備被看作特別文件，系統指定專用的文件名，如：/dev/lp表示打印機設備。

4、虛擬文件系統：VFS（Virtual File System）

在前面的博文中已經提到，Linux系統支持眾多文件系統，那它是如何做到的呢？

【答】通過虛擬文件系統VFS，使得Linux系統可以支持眾多文件系統，這種機制有點類似java的虛擬機機制哈，通過虛擬機機制才使得java能夠跨平台！

5、Linux系統ext文件系統的管理機制：

【Linux中文件系統存取文件的過程說明】

（1）根據文件名，通過Directory裡的對應關系，找到文件對應的Inode number
（2）再根據Inode number讀取到文件的Inode table
（3）再根據Inode table中的Pointer讀取到相應的Blocks

Tips：

A、這裡有一個重要的內容，就是Directory（目錄），它並不是存放文件的容器，而是文件的路徑映射，記錄了一個文件/目錄名稱對應的Inode number；

B、每個Inode條目占用128個字節；

C、為了加速文件的查找速度，第一次需要查找，之後系統會把查找結果緩存到buffer中；事實上，系統啟動時會把大多數文件緩存到buffer中（這就是buffer的意義）

【文件存儲空間管理】

光盤、磁盤、磁帶等是保存文件內容的物理設備，它們被劃分成物理塊（block），全部的物理塊組成文件的存儲空間。文件存儲空間的管理就是塊空間的管理，包括空閒塊的分配、回收和組織幾個問題。

常見的文件存儲空間管理方法有：空閒塊表和空閒塊鏈、位圖、空閒塊成組鏈接法。Linux綜合位圖和空閒塊成組鏈接法來實現文件存儲空間的管理（如圖所示）：

每個塊組所包含的Block數相同，它們是自我管理的，其組成說明如下：

（1）Super Block（超級塊）-->只有塊組0中有超級塊

• 描述整個分區的文件系統信息，例如塊大小、文件系統版本號、上次mount的時間等等。
• 超級塊在塊組1、3、5、7、9上有一個備份；

【文件系統相關命令】

• 用tune2fs –l 和 dumpe2fs [-h] 可查看超級塊信息
• du：disk usage

-s: summary，顯示某指定路徑下所有文件的大小之和；
-h：human-readale

• df: disk free
  -l: 只顯示本地文件系統的相關信息
  -h: human-readable
  -P: posix兼容的風格顯示；
  -i: 顯示inode使用信息，而非1k塊

#----tune2fs -l 命令查看超級塊信息-----#

[root@CentOS ~]# tune2fs -l /dev/sda1
tune2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Filesystem volume name:   <none>
Last mounted on:          /boot
Filesystem UUID:          0a800a5e-6e0b-48f6-b935-1296b7438b64
Filesystem magic number:  0xEF53
Filesystem revision #:    1 (dynamic)
Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize
Filesystem flags:         signed_directory_hash 
Default mount options:    user_xattr acl
Filesystem state:         clean
Errors behavior:          Continue
Filesystem OS type:       Linux
Inode count:              51200         #inode數目
Block count:              204800        #塊數目
Reserved block count:     10240
Free blocks:              149802        #空閒塊數
Free inodes:              51160         #空閒inode
First block:                1
Block size:               1024          #塊大小
Fragment size:            1024
Reserved GDT blocks:      256
Blocks per group:         8192        #每個塊組的塊數
Fragments per group:      8192
Inodes per group:         2048
Inode blocks per group:   256
Flex block group size:    16
Filesystem created:       Wed Jan 29 05:20:48 2014
Last mount time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Last write time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Mount count:              19
Maximum mount count:      -1
Last checked:             Wed Jan 29 05:20:48 2014
Check interval:           0 (<none>)
Lifetime writes:          162 MB
Reserved blocks uid:      0 (user root)
Reserved blocks gid:      0 (group root)
First inode:              11
Inode size:               128        #inode大小
Journal inode:            8
Default directory hash:   half_md4
Directory Hash Seed:      30a7a5f3-de5b-4d07-b512-ddb52100b427
Journal backup:           inode blocks

#----dumpe2fs命令查看超級塊信息----#

[root@Centos ~]# dumpe2fs /dev/sda1
dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010)
Filesystem volume name:   <none>
Last mounted on:          /boot
Filesystem UUID:          0a800a5e-6e0b-48f6-b935-1296b7438b64
Filesystem magic number:  0xEF53
Filesystem revision #:    1 (dynamic)
Filesystem features:      has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize
Filesystem flags:         signed_directory_hash 
Default mount options:    user_xattr acl
Filesystem state:         clean
Errors behavior:          Continue
Filesystem OS type:       Linux
Inode count:              51200
Block count:              204800
Reserved block count:     10240
Free blocks:              149802
Free inodes:              51160
First block:              1
Block size:               1024
Fragment size:            1024
Reserved GDT blocks:      256
Blocks per group:         8192
Fragments per group:      8192
Inodes per group:         2048
Inode blocks per group:   256
Flex block group size:    16
Filesystem created:       Wed Jan 29 05:20:48 2014
Last mount time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Last write time:          Mon Sep 22 21:01:04 2014
Mount count:              19
Maximum mount count:      -1
Last checked:             Wed Jan 29 05:20:48 2014
Check interval:           0 (<none>)
Lifetime writes:          162 MB
Reserved blocks uid:      0 (user root)
Reserved blocks gid:      0 (group root)
First inode:              11
Inode size:               128
Journal inode:            8
Default directory hash:   half_md4
Directory Hash Seed:      30a7a5f3-de5b-4d07-b512-ddb52100b427
Journal backup:           inode blocks
Journal features:         journal_incompat_revoke
Journal size:             4096k
Journal length:           4096
Journal sequence:         0x000000a8
Journal start:            0


Group 0: (Blocks 1-8192) [ITABLE_ZEROED]         #塊組0的信息
  Checksum 0xf7f8, unused inodes 2006
  Primary superblock at 1, Group descriptors at 2-2        #超級塊信息
  Reserved GDT blocks at 3-258
  Block bitmap at 259 (+258), Inode bitmap at 275 (+274)
  Inode table at 291-546 (+290)
  3784 free blocks, 2008 free inodes, 6 directories, 2006 unused inodes
  Free blocks: 4409-8192
  Free inodes: 40, 42-2048
Group 1: (Blocks 8193-16384) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x132c, unused inodes 2048
  Backup superblock at 8193, Group descriptors at 8194-8194          #超級塊的備份
  Reserved GDT blocks at 8195-8450
  Block bitmap at 260 (+4294959363), Inode bitmap at 276 (+4294959379)
  Inode table at 547-802 (+4294959650)
  844 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 11336, 11452-12288, 16379-16384
  Free inodes: 2049-4096
Group 2: (Blocks 16385-24576) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x6de3, unused inodes 2048
  Block bitmap at 261 (+4294951172), Inode bitmap at 277 (+4294951188)
  Inode table at 803-1058 (+4294951714)
  0 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 
  Free inodes: 4097-6144
Group 3: (Blocks 24577-32768) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xbade, unused inodes 2048
  Backup superblock at 24577, Group descriptors at 24578-24578        #超級塊的備份
  Reserved GDT blocks at 24579-24834
  Block bitmap at 262 (+4294942981), Inode bitmap at 278 (+4294942997)
  Inode table at 1059-1314 (+4294943778)
  1789 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 24835-25101, 25103-26624
  Free inodes: 6145-8192
Group 4: (Blocks 32769-40960) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0x3c6a, unused inodes 2048
  Block bitmap at 263 (+4294934790), Inode bitmap at 279 (+4294934806)
  Inode table at 1315-1570 (+4294935842)
  610 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 38303-38912
  Free inodes: 8193-10240
Group 5: (Blocks 40961-49152) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED]
  Checksum 0xadda, unused inodes 2048
  Backup superblock at 40961, Group descriptors at 40962-40962
  Reserved GDT blocks at 40963-41218
  Block bitmap at 264 (+4294926599), Inode bitmap at 280 (+4294926615)
  Inode table at 1571-1826 (+4294927906)
  1790 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes
  Free blocks: 41219-43008
  Free inodes: 10241-12288

（2）GDT：Group Descriptor Table（塊組描述符表）

• 由很多塊組描述符組成，整個分區分成多少個塊組就對應有多少個塊組描述符
• 每個塊組描述符（Group Descriptor）存儲一個塊組的描述信息，例如在這個塊組中從哪裡開始是inode表，從哪裡開始是數據塊，空閒的inode和數據塊還有多少個等等
• 和超級塊類似，塊組描述符表在每個塊組的開頭也都有一份拷貝，這些信息是非常重要的，一旦超級塊意外損壞就會丟失整個分區的數據，一旦塊組描述符意外損壞就會丟失整個塊組的數據，因此它們都有多份拷貝

（3）bit map：位圖

分為快位圖（Block Bitmap）和結點位圖（Inode Bitmap），機制如下：

【Block Bitmap】：當申請空閒塊時，從位圖上找出bit=0的字位，將其改為1，返回對應的塊號；歸還空閒塊時，在位圖上把該塊所對應的字位改為0即可（如下圖所示）。

【Inode Bitmap】：和塊位圖類似，本身占一個塊，其中每個bit表示一個inode是否空閒可用。

（4）Inode Table：Inode表：

• 一個文件除了數據需要存儲之外，一些描述信息也需要存儲，例如文件類型（常規、目錄、符號鏈接等），權限，文件大小，創建/修改/訪問時間等，也就是"ls -l”命令看到的那些信息，這些信息存在inode中而不是數據塊中。
• 每個文件都有一個inode，一個塊組中的所有inode組成了inode表
• inode表占多少個塊在格式化時就要決定並寫入塊組描述符中
• mke2fs格式化工具的默認策略是一個塊組有多少個8KB就分配多少個inode

（5）Data Blocks：數據塊

• 對於常規文件，文件的數據存儲在數據塊中
• 對於目錄，該目錄下的所有文件名和目錄名存儲在數據塊中，文件名保存在它所在目錄的數據塊中
• 除文件名之外，ls -l命令看到的其它信息都保存在該文件的inode中
• 目錄也是一種文件，是一種特殊類型的文件
• 對於符號鏈接，如果目標路徑名較短則直接保存在inode中以便更快地查找，如果目標路徑名較長則分配一個數據塊來保存
• 設備文件、FIFO和socket等特殊文件沒有數據塊，設備文件的主設備號和次設備號保存在inode中

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