Linux操作系统之文件（四）：文件系统（上）
前言：
我们前几篇文章讲了缓冲区与重定向的有关概念，这些设计是linux系统的核心机制，对系统性能、资源管理和用户操作灵活性有重要意义。
不涉及一些硬件就不可能让大家清楚地去理解文件系统，所以这篇文章，我将会从计算机组成原理的角度，为大家讲解一下文件系统的构成。
文件被打开了，是存储到内存里的。那么文件没有被打开呢？存储到哪里？
自然是磁盘里。
我们访问一个文件的前提是不是要打开它？那我们访问文件的前提是要找到它，也就是说我们要有对应的路径。
但那么多文件，不只是你一个文件有路径，所有文件都要有路径。众多路径需要被管理起来，所以就出现了文件系统的概念：
磁盘级文件系统与内存级文件系统。
如同我们去取快递一样，快递就好比一个一个的文件，放在菜鸟驿站的快递柜上，我们需要根据快递的编号，找到对应的存放位置，最后取回到我们的宿舍（内存中）。
文件系统又是如何把未打开的文件，在磁盘上管理起来的呢？
我们又如何去理解路径呢？
别着急，我将为大家一一解答。
一、磁盘
像这些机械磁盘，是计算机中唯一一个机械设备。图左是一个机械硬盘，图右是机械硬盘拆开后的样子。
图示为一个服务器，里面嵌入了许多个磁盘，而服务器是计算资源的载体，安装在机柜内 ：
图为一个一个的机柜，机房就是存储这些机柜的地方。
不同于我们的其他存储设备，机械磁盘的好处就是容量大，便宜。但它的读取速度就比较慢。
公司里有大量平时用不到的数据，你不可能用其他昂贵的设备来进行存储，自然需要用到机房。
而磁盘是怎么进行存储数据的呢？
我们知道，磁铁是有着南极与北极的，同样的，二进制划分为0,1.
所以，我们就规定南极与北极各自代表0或1。这样，就方便了我们进行二进制数据的存储。
所以我们如何销毁一个磁盘呢？
自然就是对该磁盘进行消磁处理。
一个磁盘的结构如下图所示:
我们的机械臂杆上有着多个读写磁头，分别近距离挨着每个盘片的上下两个面。比如上图我们就有着6个读写磁头，以及6个面，二者的数量是相同的。如果我们在读写一个磁头，实际上就是在读写一个磁面。注意，磁头与磁盘之间并没有实际接触，就像是一架飞机贴地1m处飞行一样。
每个面上，存在着包围着中心的，不同大小的环道，我们称之为磁道，而每个磁道上，我们划分了一定区域，每个区域叫做扇区。
有个疑问，我们这上面有不同的扇区，他们的长短是不一样，那么存储大小呢？
在早期的磁盘中，是一样的，但现在的技术已经能做到同质度的存储数据了，也就是说扇区越大，存储的数据越多。
扇区，是磁盘存储数据的基本单位，通常，一个扇区的大小为512字节。
如果我想修改一个扇区的一个比特位，也要把512字节全部读取到内存才行，所以我们称磁盘为快设备。
那我们如何定位一个扇区呢？
以上3步，被我们称为CHS地址定位法。（但现在大部分已经淘汰了，我们讲这个只是为了帮助大家理解）
我们可以通过以上的命令查看我们云服务器的磁盘分区
这是一个 50GB的虚拟磁盘（GPT分区表），包含：
-
1MB的BIOS引导分区（兼容传统启动）。
-
50GB的Linux主分区（实际可用空间）。
二、磁带
我们以前也有磁带这种存储设备。
磁带上⾯可以存储数据，我们可以把磁带“拉直”，形成线性的结构：
这样每⼀个扇区，就有了⼀个线性地址(其实就是数组下标)，这种地址叫做LBA地址定位法。
由于我们前面说到，传动臂上的磁头是共进退的。
所以，我们可以把每个盘面上，相同半径大小的磁道，组成一个柱面
所以，磁盘物理上分了很多⾯，但是在我们看来，逻辑上，磁盘整体是由“柱⾯”卷起来的。
因此，把一个磁道展开，我们可以看做是一个一维数组，随后一个柱面上有多个磁道，我们可以看做柱面为二维的扇区数组。多个柱面盘旋起来形成磁盘，所以磁盘可以看作是扇区的三维数组
三、块
如果我们进行IO操作，是以扇区512字节为单位，未免就太少了。
所以我们可以把一定数量的扇区，划分为一个块。一个块的数据大小为4kb，也就是八个扇区。
而这些块，我们也可以进行编号，比如说，块1，块2，块3.
所以磁盘就划分为了以块为单位的一维数组。
假如我们磁盘中有500GB的存储空间，我们应该如何进行管理呢？
答案是，我们会把这500GB的空间换划分为一个一个的的分区。
就像是大家电脑上的C盘，E盘，D盘。
从linux系统看，我的这个就划分为了2个区域。一个分区挂掉了不会影响其他分区，这一切都是为了磁盘的 灵活性、安全性、性能优化和兼容性。
这也体现了分治的思想。我们只需要管理好一个分区，随后把这个分区的管理方法复制到其他分区进行管理就行了。
那我们该如何管理好一个分区呢？
这里就要开始引入我们的文件系统的概念了。
四、EXT2文件系统
1、分区
Data blocks表示的是数据块区域，保存的是文件的内容。它里面划分为一块一块的块（block）：
块是文件系统管理数据的最小单位，一个块的大小是4kb。 （我们要分辨清楚的是扇区是硬件层的最小单位，而块是文件系统的）
这里独立于分区外的是Boot Block，通常记录的是启动的相关设置。
而一个分区内通常会存储以上信息： Data blocks，inode Table ，inode Bitmap等。
2、inode
我们知道，一个文件=属性+数据
那么一个文件的属性信息，其实也是一种数据，我们把这个属性信息以结构体的方式构建出来。
这个结构体我们就把它叫做inode。（所以inode，是文件属性的集合）
通常来说，一个文件就对应着这一个inode。
一个inode的大小通常为128字节，当然也有256字节的情况，我们在这里不讨论256字节的inode。
操作系统与磁盘进行IO交互时基本单位是4KB（因为一个块的大小就是4kb），所以一个块就能包含4kb/128字节，也就是32个inode。
每个inode都有自己的编号：
我们在ls指令后面跟上-i选项就可以查看每个文件的inode的队友编号：
前面的920502就是inode编号，而每个文件直接的inode编号互不重复。
值得注意的是，在linux中，文件名这个属性并不保存在inode中。
inode table对应这个组里的所有文件属性集。如果我们有一万个文件，inode table中会要占用多少块呢？
：10000*128/4/1024个
既然文件的属性已经被保存起来了，那么文件的内容呢？
答案是保存在Data Blocks中，所以我们可以知道，在linux下，文件的属性与内容是分开存储的
在inode结构中，还有一个数组：int blocks[NUM],用于存储文件数据块的地址。这个数组直接决定了如何找到文件的实际内容，它里面保存的是该文件在Data blocks区域内容所使用的块号。
blocks[NUM]存储的是文件内容所在的 磁盘块号，通过这些号码可以在磁盘上定位文件的具体数据。
由于时间的原因，本篇文章就暂时写到这里，后面的内容，我会在下一篇文章中为大家详细介绍inode等信息。
结语：
文件系统上怎么知道一个一共有多少inode，还有多少inode没使用这些信息的呢？
下一篇文章再来谈文件系统的块号如何理解，inode的值是怎么来？为什么找文件只需要通过inode就行了这些内容。
本篇文章介绍了大量概念，希望同学们能够进行一定程度的记忆。
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