【Linux】文件系统

1. 理解文件系统

我们使用 ls -l 的时候看到的除了看到文件名，还看到了文件元数据。

[root@localhost linux]# ls -l
总用量 12
-rwxr-xr-x. 1 root root 7438 "9月 13 14:56" a.out
-rw-r--r--. 1 root root  654 "9月 13 14:56" test.c
1
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4

每行包含 7 列：

• 模式
• 硬链接数
• 文件所有者
• 组
• 大小
• 最后修改时间
• 文件名

ls -l 读取存储在磁盘上的文件信息，然后显示出来：

其实这个信息除了通过这种方式来读取，还有一个 stat 命令能够看到更多信息：

[tjq@hecs-227160 test_3_25]$ stat test1.c 
  File: ‘test1.c’
  Size: 365       	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fd01h/64769d	Inode: 1573701     Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/     tjq)   Gid: ( 1000/     tjq)
Access: 2024-03-25 12:07:05.081994903 +0800
Modify: 2024-03-25 12:06:58.231864531 +0800
Change: 2024-03-25 12:06:58.231864531 +0800
 Birth: -
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ACM：下面解释一下文件的三个时间：

• Access 最后访问时间；
• Modify 文件内容最后修改时间；
• Change 属性最后修改时间。

2. inode

系统中，表示一个文件，用的不是文件名，而是 inode！

为了能解释清楚 inode 我们先简单了解一下文件系统：

Linux ext2 文件系统，上图为磁盘文件系统图（内核内存映像肯定有所不同），磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的 block。一个 block 的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如 mke2fs 的 -b 选项可以设定 block 大小为 1024、2048 或 4096 字节。而上图中启动块（Boot Block）的大小是确定的。

• Block Group：ext2 文件系统会根据分区的大小划分为数个 Block Group。而每个 Block Group 都有着相同的结构组成。
• 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：block 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。如果 Super Block 的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。
• GDT（Group Descriptor Table）：块组描述符，描述块组属性信息。
• 块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap 中记录着 Data Block 中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用。
• inode 位图（inode Bitmap）：每个 bit 表示一个 inode 是否空闲可用。
• i 节点表（inode Table）：存放文件属性，如：文件大小、所有者、最近修改时间等。
• 数据区（Date blocks）：存放文件内容。

将属性和数据分开存放的想法看起来很简单，但实际上是如何工作的呢？我们通过 touch 一个新文件来看看如何工作。

[root@localhost linux]# touch abc
[root@localhost linux]# ls -i abc
263466 abc
1
2
3

为了说明问题，我们将上图简化：

创建一个新文件主要有以下 4 个操作：

1. 存储属性
   内核先找到一个空闲的 inode（这里是 263466）。内核把文件记录到其中。

2. 存储数据
   该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300，500，800。将内核缓冲区的第一块数据复制到 300，下一块复制到 500，以此类推。

3. 记录分配情况
   文件内容按顺序 300，500，800 存放。内核在 inode 上的磁盘分布区记录了上述块列表。

4. 添加文件名到目录
   新的文件名叫 abc。Linux 如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口（263466，abc）添加到目录文件。文件名和 inode 之间的对应关系将文件名和文件内容及属性连接起来。

3. 软硬链接

3.1 硬链接

我们看到，真正找到磁盘上文件的并不是文件名，而是 inode。其实在 Linux 中可以让多个文件名对应于同一个 inode。

[root@localhost linux]# touch abc
[root@localhost linux]# ln abc def	// 创建了一个硬链接
[root@localhost linux]# ls -li
263466 -rw-rw-r-- 2 tjq tjq 0 Mar 26 16:14 abc
263466 -rw-rw-r-- 2 tjq tjq 0 Mar 26 16:14 def
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5

• abc 和 def 的链接状态完全相同，他们被称为指向文件的硬链接，内核记录了这个连接数，inode 263466 的硬链接数为 2。
• 硬链接本质不是一个独立的文件，因为它的 inode 编号和目标文件相同；
• 那么硬链接是什么呢？在创建硬链接时一定没有新建文件，它是一个新的文件名，和目标文件 inode 号的映射关系；
• 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. 将硬链接数 -1，如果为 0，则将对应的磁盘释放（引用计数）。
• Linux 中，不允许用户给目录建立硬链接。

3.2 软链接

软链接是通过 inode 引用另外一个文件，在 shell 中的做法：

[root@localhost linux]# ln -s abc abc.s	// 创建了一个软链接
[root@localhost linux]# ls -li
263563 -rw-r--r--. 2 tjq tjq 0 Mar 26 16:14 abc
261678 lrwxrwxrwx. 1 tjq tjq 3 Mar 26 16:40 abc.s -> abc
263563 -rw-r--r--. 2 tjq tjq 0 Mar 26 16:14 def
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3
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5

• 软链接本质是一个文件，有独立的 inode。

3.3 软硬链接的原理

• 硬链接本质就是在指定的目录下，插入新的文件名和目标文件的映射关系，并让 inode 的引用计数++；
• 软链接本质就是一个独立文件，软链接内容里面放的是：目标文件的路径！
• 软链接类似 Windows 下的快捷方式。

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END