Linux操作系统之文件系统上

1. 理解硬件

1.1 磁盘

• 机械硬盘是计算机中唯一的一个机械设备
• 磁盘是块设备，属于外设
• 磁盘的读取相对内存及CPU来说是很慢的
• 但磁盘的容量大，价格便宜

如下图所示：

1.2 磁盘的物理结构

1.3 磁盘的存储结构

扇区：是磁盘存储数据的基本单位，容量一般为512字节，即块设备

磁道：由一个个的扇区组成，每个磁道的扇区数相同，越靠近内圈的磁道，其扇区存储密度越大

柱面：由各个扇面上半径相同的磁道组成，同样每个柱面的扇区数也是相同的

如何定位一个扇区？
①先确定磁头要访问哪一个柱面（cylinder）
②再确定是哪一个磁头，即定位磁头（header）
③最后确定是哪个扇区（sector）

1.4 CHS地址定位

文件=内容+属性，这些都是数据，即都是存放在扇区中的，而在磁盘中，是通过CHS地址定位的方式来查找扇区。

• 扇区数（Sector）：扇区是磁盘读出和写入信息的最小单位，通常大小为512字节，每个磁道都被切分成很多扇区，每道的扇区数相同
• 磁头数（Head）：每个盘片一般有上下两面，分别对应1个磁头，总计两个磁头
• 磁道数：磁道是从盘片外圈往内圈编号，从0开始，靠近主轴的同心圆用于停靠磁头，不存储数据
• 柱面数（Cylinder）：磁道构成柱面，数量上等同于磁道个数
• 圆盘数：就是盘片的数量
• 磁盘容量=磁头数 * 磁道（柱面）数 * 每道扇区数 * 每扇区字节数
• 细节：传动臂上的磁头是共进退的

1.5 磁盘的逻辑结构

1.5.1 理解过程

磁带上可以存储数据，于是我们把磁带“拉直”，形成了线性结构，如下：

虽然磁盘本质上是硬质的，但是逻辑上我们可以把磁盘想象成为卷在一起的磁带，于是磁盘的逻辑结构类似如下：

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

1.5.2 真实过程

重复细节：传动臂上的磁头是共进退的

柱面是一个逻辑上的概念，其实就是每一面上，相同半径的磁道在逻辑上构成柱面。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。

所以，磁盘的真实情况是：

磁道——某一盘面的某一个磁道展开（一维数组）：

柱面——整个磁盘所有盘面的同一个磁道，即柱面展开（二维数组）：

整个磁盘——多张二维的扇区数组表（三维数组）：

所以，寻址一个扇区，就是先找到哪一个柱面（Cylinder），再确定柱面内哪一个磁道（实则为磁头位置，Head），最后确定扇区（Sector），这就是CHS寻址的真实过程

每一个扇区都有一个下标，叫做LBA（Logical Block Address）地址，其实就是线性地址。OS只需使用LBA就可，LBA与CHS之间的互转是由磁盘来做的！

1.6 CHS && LBA地址

CHS转成LBA：

• 磁头数 * 每磁道扇区数=单个柱面的扇区总数
• LBA=C（柱面号） * 单个柱面的扇区总数 +H（磁头号） * 每磁道扇区数+S（扇区号）-1
• 扇区号通常是从1开始的，而在LBA中，地址是从0开始的
• 柱面和磁道都是从0开始编号的

LBA转成CHS：

• 柱面号C=LBA//单个柱面的扇区总数
• 磁头号H=（LBA%单个柱面的扇区总数）//每磁道扇区数
• 扇区号S=（LBA%每磁道扇区数）+1
• 其中//表示除后向下取整

有了上述的转换，对磁盘使用者来说，根本不需要关心CHS地址，而是直接使用LBA地址，磁盘内部会自己转换。即，磁盘就是一个元素为扇区的一维数组，数组下标就是每一个扇区的LBA地址。OS使用磁盘，就可以用一个数字访问磁盘扇区了。

2. 引入文件系统

2.1 引入“块”概念

• 磁盘是典型的“块”设备，OS读取硬盘数据的时候，其实是不会一个一个扇区去读取，这样的效率过低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个“块”（block）
• 磁盘的每个分区是被划分为一个一个的“块”。一个“块”的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改，最常见的是4KB，即连续八个扇区组成一个“块”。“块”是文件存取的最小单位

注意：

• 磁盘就是一个三维数组，我们把它看待成为一个“一维数组”，数组下标就是LBA，每个元素都是扇区
• 每个扇区都有LBA，那么8个扇区是一个块，每一个块的地址我们也能算出来
• 知道LBA：块号=LBA/8
• 知道块号：LAB=块号*8+n（n是块内第几个扇区）

2.2 引入“分区”概念

• 磁盘可被分成多个分区，从Windows观点来看，计算机中的一块磁盘可将其分为C，D，E盘。这里C，D，E就是分区。分区从实质上说就是对硬盘的一种格式化
• 柱面是分区的最小单位，我们可以利用参考柱面号码的方式来进行分区，其本质就是设置每个区的起始柱面和结束柱面号码。将硬盘上的柱面进行平铺，将其想象成一个大的平面，如下所示：
  

2.3 引入“inode”概念

文件=内容+属性，在Linux机器上使用ls -l命令时除了可以看到文件名，还可以看到文件属性。

shuaiming@iZbp175p82nv3n4e7j59elZ:~$ ls -l
total 16
drwxrwxr-x  2 shuaiming shuaiming 4096 Feb 24 11:49 make
-rw-rw-r--  1 shuaiming shuaiming  484 Feb 27 10:01 Makefile
drwxrwxr-x 18 shuaiming shuaiming 4096 Jun  5 21:31 operating-system---linux
drwxrwxr-x  9 shuaiming shuaiming 4096 Feb 17 11:46 vimplus

每行包含7列：

• 模式
• 硬链接数
• 文件所有者
• 所属组
• 文件当前大小
• 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

文件数据都存储在“块”中，显然，还需找一个地方存储文件属性，如文件创建者，创建日期，内容大小等。这种存储文件属性的区域就叫做inode，即“索引节点”。通过命令ls -li可以查看文件索引节点号。

shuaiming@iZbp175p82nv3n4e7j59elZ:~$ ls -li
total 16
396811 drwxrwxr-x  2 shuaiming shuaiming 4096 Feb 24 11:49 make
397376 -rw-rw-r--  1 shuaiming shuaiming  484 Feb 27 10:01 Makefile
397546 drwxrwxr-x 18 shuaiming shuaiming 4096 Jun  5 21:31 operating-system---linux
397002 drwxrwxr-x  9 shuaiming shuaiming 4096 Feb 17 11:46 vimplus

此时第一列的数字就是文件索引节点号，每一个文件都有对应的inode，里面包含了与该⽂件有关的⼀些信息。

注意：

• Linux下文件的存储是属性和内容分离存储的
• Linux下，保存文件属性的集合叫做inode，一个文件对应一个inode，inode内有一个唯一的标识符，叫做inode号

在Linux下，文件属性节点inode长这样：

/** Structure of an inode on the disk*/
struct ext2_inode {__le16 i_mode; /* File mode */__le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */__le32 i_size; /* Size in bytes */__le32 i_atime; /* Access time */__le32 i_ctime; /* Creation time */__le32 i_mtime; /* Modification time */__le32 i_dtime; /* Deletion Time */__le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id */__le16 i_links_count; /* Links count */__le32 i_blocks; /* Blocks count */__le32 i_flags; /* File flags */union {struct {__le32 l_i_reserved1;} linux1;struct {__le32 h_i_translator;} hurd1;struct {__le32 m_i_reserved1;} masix1;} osd1; /* OS dependent 1 */__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */__le32 i_generation; /* File version (for NFS) */__le32 i_file_acl; /* File ACL */__le32 i_dir_acl; /* Directory ACL */__le32 i_faddr; /* Fragment address */union {struct {__u8 l_i_frag; /* Fragment number */__u8 l_i_fsize; /* Fragment size */__u16 i_pad1;__le16 l_i_uid_high; /* these 2 fields */__le16 l_i_gid_high; /* were reserved2[0] */__u32 l_i_reserved2;} linux2;struct {__u8 h_i_frag; /* Fragment number */__u8 h_i_fsize; /* Fragment size */__le16 h_i_mode_high;__le16 h_i_uid_high;__le16 h_i_gid_high;__le32 h_i_author;} hurd2;struct {__u8 m_i_frag; /* Fragment number */__u8 m_i_fsize; /* Fragment size */__u16 m_pad1;__u32 m_i_reserved2[2];} masix2;} osd2; /* OS dependent 2 */
};
/** Constants relative to the data blocks*/
#define EXT2_NDIR_BLOCKS 12
#define EXT2_IND_BLOCK EXT2_NDIR_BLOCKS
#define EXT2_DIND_BLOCK (EXT2_IND_BLOCK + 1)
#define EXT2_TIND_BLOCK (EXT2_DIND_BLOCK + 1)
#define EXT2_N_BLOCKS (EXT2_TIND_BLOCK + 1)

强调

文件名这个属性并未纳入到inode内部
inode的大小一般是128或256字节
任何文件的内容大小可以不同，但是属性大小一定相同

遗留两个问题：

• 1. 已知硬盘是典型的“块”设备，OS读取硬盘数据的时候，读取的基本单位是“块”。“块”又是硬盘的每个分区下的结构，其必然是受到某种排布关系的制约，那这种关系是什么，通过这种关系怎么找到“块”呢？
• 2. 上面提及的存储文件属性的inode是如何放置的呢？

敬请期待下节……