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linux文件管理簡介

一個文件系統(tǒng)的功能是什么？

1、創(chuàng)建、刪除、打開、讀取、寫入等文件操作

2、文件要以一定的方式進(jìn)行組織管理，比如目錄結(jié)構(gòu)等形式

文件系統(tǒng)的底層依托是可以存儲東西的存儲器，比如內(nèi)存、硬盤等存儲器。

常見的文件系統(tǒng)

1、ext3 硬盤文件系統(tǒng)
2、ext4 硬盤文件系統(tǒng)
3、tmpfs 內(nèi)存文件系統(tǒng)

ext3和ext4

block

硬盤被分為若干個block，一個block的大小為 4KB。

通過block位圖來標(biāo)記一個block是否空閑，也就是一個block ，4K，有4 * 1024 * 8 個bit ，可以表示 128M 的空間。

每次分配的時候，從位圖中找到一個位圖中為0的對應(yīng)的block，并將其位圖中的bit置為1

每次回收的時候，將位圖中對應(yīng)的bit置為0，

inode

一個文件和文件夾都是對應(yīng)著一個inode。

每個Inode都有一個唯一的ID。

inode中記錄了文件對應(yīng)的詳細(xì)信息，比如id，更改時間、所屬用戶、所屬組等信息，以及對應(yīng)的存儲的block信息。

文件的具體內(nèi)容和屬性是分開存放的，屬性存放在inode中，具體的內(nèi)容可以通過inode中的指針進(jìn)行讀取。

inode中通過inode位圖來標(biāo)識一個inode是否空閑。

位圖存在一個block中，也就是說一個block可以記錄410248個inode的狀態(tài)

塊組

block位圖 + inode位圖 + 對應(yīng)的inode列表 + 對應(yīng)的block 稱為一個塊組

塊組描述符表

一個硬盤可以分為多個塊組，通過塊組描述符表來記錄對應(yīng)的塊組信息。

讀取一個塊組描述符可以快速得出對應(yīng)的塊組的inode和block的信息，比如空閑block的個數(shù)、空閑inode的個數(shù)。block位圖的地址范圍、inode位圖地址的范圍等信息。

超級塊

超級塊中記錄了整個文件系統(tǒng)中的信息，比如block的大小，inode的大小，文件系統(tǒng)中可用的inode個數(shù)、文件系統(tǒng)中可用的block的個數(shù)。塊組描述符列表的地址范圍。

文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

ext3和ext4中文件具體信息存放的方式不一樣。

ext3架構(gòu)圖

ext3中，每個innode對應(yīng)著block數(shù)組，前12個為直接映射，后3個為間接映射。

ext4的架構(gòu)圖

ext3有一個缺點(diǎn)：當(dāng)組織大文件的時候，每個block都用一個記錄項(xiàng)來記錄，會導(dǎo)致索引項(xiàng)增多，索引項(xiàng)會額外浪費(fèi)空間，而且會降低大文件的讀取效率。

ext4通過一個多叉樹來組織大文件，分為葉子節(jié)點(diǎn)和非葉子節(jié)點(diǎn)，非葉子節(jié)點(diǎn)用來記錄索引信息，而葉子節(jié)點(diǎn)用來記錄實(shí)際的block信息，不會挨個記錄，而是通過start 和 end 開始和結(jié)束地址來記錄若干個block，提高大文件的讀取效率。

硬鏈接和軟鏈接

硬鏈接：新建文件和原始文件共用一個Inode節(jié)點(diǎn)，當(dāng)所有文件都刪除的時候，才會徹底刪除對應(yīng)的文件。不可以跨文件系統(tǒng)建立鏈接。
軟鏈接：文件新建一個Inode節(jié)點(diǎn)，文件中存儲的是對應(yīng)的鏈接，指向原始文件。可以跨文件系統(tǒng)建立鏈接。

虛擬文件系統(tǒng) VFS

Linux中一切皆文件，無論是塊設(shè)備、共享內(nèi)存、socket、字符設(shè)備、進(jìn)程信息都可以通過操作文件的的統(tǒng)一接口來訪問對應(yīng)的資源，比如open()、read()、write()。這就依靠于Linux的虛擬文件系統(tǒng) VFS

掛載 mount

塊設(shè)備、內(nèi)存、字符設(shè)備等要想被使用，都要有一定的文件系統(tǒng)，然后將其掛載到Linux中的目錄中。

這個目錄可以是根目錄，也可以是其他文件系統(tǒng)下的目錄。

這些掛載信息被保存在根分區(qū)中，在Linux初始化的時候被取出，加載到內(nèi)存中。

根分區(qū)是用來引導(dǎo)Linux加載的，是必須的，根分區(qū)會掛載到根目錄 /。

掛載信息中記錄了對應(yīng)的文件系統(tǒng)的超級塊信息、以及對應(yīng)的掛載目錄信息。

內(nèi)存中會維護(hù)一個目錄樹，最一開始之后只有根目錄，通過掛載信息中的文件系統(tǒng)超級塊信息和掛載目錄信息，就可以逐漸的擴(kuò)展目錄樹。

訪問文件

Linux需要通過一個文件路徑來訪問對應(yīng)的文件。

1、首先要open()，也就是打開文件。

首先獲取根目錄對應(yīng)的inode，然后通過根目錄的inode獲取對應(yīng)的目錄信息和文件信息，通過遍歷根目錄中的目錄來找到二級目錄對應(yīng)的inode，就這樣不斷的向下尋找就可以找到對應(yīng)的文件的inode了。

2、內(nèi)核會維護(hù)一個file struct列表，file中會加入文件對應(yīng)的inode節(jié)點(diǎn)，并且為inode加入對應(yīng)的塊設(shè)備編號和驅(qū)動程序。
3、內(nèi)核會返回一個fd給用戶進(jìn)程，fd就是文件描述符。用戶進(jìn)程會維護(hù)一個文件描述符表，fd會對應(yīng)一個指向內(nèi)核中file的指針，在之后的訪問文件就可以直接通過fd來找到對應(yīng)的file了。

FD就是進(jìn)程的文件描述符表的對應(yīng)的文件記錄的索引下標(biāo)，是一個非負(fù)的整數(shù)

通過inode中的設(shè)備編號和對應(yīng)的驅(qū)動程序，就可以通過驅(qū)動程序+inode的文件信息，就可以對文件進(jìn)行操作了。

這樣就實(shí)現(xiàn)了VFS的功能了，虛擬文件管理。進(jìn)程只需要通過open()、read()和fd就可以操作對應(yīng)的文件了。

值得注意的是，當(dāng)讀取文件的時候，有以下兩個步驟：

1、將數(shù)據(jù)從磁盤拷貝到內(nèi)核空間中
2、將數(shù)據(jù) 從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間中。

文件緩存

內(nèi)存和磁盤都是分頁來進(jìn)行管理的，也就是4K，寫入磁盤或者讀取文件的時候，也是按照頁來讀取。

為了減少訪問磁盤的次數(shù)，Linux在內(nèi)核空間開啟了一片內(nèi)存作為緩存，然后將讀取的文件按照page放入到緩存中，當(dāng)再次需要該文件對應(yīng)的page的時候，會先查看緩存中是否存在對應(yīng)的page，如果存在，直接從緩存拷貝到用戶態(tài)。如果不存在，才會訪問磁盤。

當(dāng)寫對應(yīng)的page的時候，先將其寫入到緩存中，等待系統(tǒng)或者用戶調(diào)用sync()，才將文件寫入到磁盤上。當(dāng)文件寫入到緩存中后，對應(yīng)的緩存就為臟頁了，在內(nèi)存緊張的時候，或者刷盤的時候，會將其寫入到磁盤中。

緩存中的page是通過inode和對應(yīng)的偏移offset來唯一標(biāo)識的

來源:https://blog.csdn.net/qq_40276626/article/details/120478538

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