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前言

在前文我們所講的都是已經打開的文件，而沒有被打開的文件又存儲在哪里呢？又是如何進行管理的呢？事實上，沒有被打開的文件存儲在磁盤，稱之為磁盤文件。磁盤的存在不僅僅是為了存儲文件，還有后續(xù)能對文件進行快速定位以及讀取和寫入。而對于磁盤文件的管理，則離不開文件系統(tǒng)，本次文章將對此進行探討。

磁盤的物理結構

磁盤是什么？

磁盤是一種存儲數(shù)據的存儲器，早期主要計算機使用的磁盤是軟磁盤（軟盤），而如今則主要使用硬磁盤（硬盤）。而如今市面上的硬盤主要有機械硬盤以及固態(tài)硬盤。兩者各有優(yōu)缺點。

1. 機械硬盤：容量大、價格便宜、但讀取速度非常慢、個頭還大（很多公司還在使用，因為成本低）
2. 固態(tài)硬盤：讀取速度快、個頭小、但是價格貴，且存儲空間有限（當前我們的大多數(shù)計算機都是固態(tài)硬盤）這里我們所講解的是機械硬盤，顧名思義，機械硬盤是我們計算機上的唯一一個機械設備。

基本結構

機械硬盤的基本結構主要包含以下部分：

• 盤片：一片兩面、每一面都可以存儲數(shù)據、有一摞盤片
• 磁頭：盤片每一面各有一個磁頭，磁頭負責盤面數(shù)據的讀取
• 傳動軸：用來控制磁頭的進退
• 主軸：控制盤片的穩(wěn)定旋轉
• ......

存儲結構

物理存儲結構

機械硬盤的邏輯結構主要分為磁道、扇區(qū)和拄面。（部分內容來源于：硬盤結構（機械硬盤和固態(tài)硬盤）詳解）

1. 磁道：每個盤片都在邏輯上有很多的不同半徑的同心圓，最外面的同心圓就是 0 磁道。我們將每個同心圓稱作磁道（注意，磁道只是邏輯結構，在盤面上并沒有真正的同心圓）。
2. 扇區(qū)：在磁盤上每個同心圓是磁道，從圓心向外呈放射狀地產生分割線（扇骨），將每個磁道等分為若干弧段，每個弧段就是一個扇區(qū)。每個扇區(qū)的大小是固定的，為 512Byte。扇區(qū)也是磁盤的最小存儲單位。
3. 柱面：不同盤片中的相同磁道形成的一個圓柱。

數(shù)據的寫入與讀取：

扇區(qū)作為磁盤中存儲的基本單元，大小為512byte。（一個文件的數(shù)據在存儲時可能占用多個扇區(qū)）。所以我們在進行數(shù)據的寫入和讀取時，只需要定位到具體的扇區(qū)即可。而定位一個扇區(qū)，首先要定位該扇區(qū)在哪一個盤面上（由磁頭定位，每一個面都有一個磁頭），接著通過同心圓的半徑，確定扇區(qū)所在的磁道，最后再通過扇區(qū)的編號，確定該扇區(qū)的具體位置。這種通過磁頭、磁道、扇區(qū)編號來定位扇區(qū)的放法，稱之為CHS定位法。

而磁盤的存儲介質為磁性材料，我們知道計算機內的數(shù)據都是大量的0和1，而磁頭則會將0和1這種電信號轉化為磁信號，也就說機械硬盤是通過磁頭對南北極的更改，來實現(xiàn)數(shù)據的讀取與寫入。當我們通過CHS定位到具體扇區(qū)時：

• 向磁盤中寫入數(shù)據：N -> S （0->1）
• 刪除數(shù)據：S ->N (1->0)
• 對數(shù)據的寫入/刪除 與讀取的本質：更改基本元素的南北極，讀取南北極。

邏輯抽象

如上所說，如果OS能知道任意的CHS地址，就能訪問任意一個扇區(qū)，但是OS內部并不是直接使用CHS定位法。

這是因為OS是一個用來對軟硬件資源做管理的軟件，而CHS定位法是磁盤作為硬件來使用的方法。由于硬件可能會隨著時代的發(fā)展而不斷改變，如果此時OS采用CHS，那么OS也要不斷隨著硬件的更新而更新。耦合度太高，成本太大。因此為了實現(xiàn)與硬件的解耦，OS采用一種新的定位方法---LBA邏輯塊地址。

如下圖所示：將磁道從最外層鋪開，就像扯膠帶一樣拉開，就會得到一串連續(xù)的線性的空間，我們把它想象成一個大數(shù)組，如下圖所示：

此時計算機的常規(guī)訪問方式，就變成了某一個數(shù)據塊的起始地址+偏移量。此時也就完成了CHS到BA的轉換。因此，OS對于磁盤的管理，實際上就轉化為了對這個大數(shù)組的管理。

當然，OS進行IO的基本單位是可以進行調整的，一般都是4KB，即一個數(shù)據塊的大小，這也是為什么磁盤會被稱之為塊設備的原因之一。這樣也是為了提高IO效率，根據內存對齊原則。

文件系統(tǒng)

分治管理

我們目前所使用的計算機，實際上只有一個盤，那么為什么我們還要將它分成C盤、D盤呢？答案是為了讓我們能更好的管理這些資源。同樣，Linux操作系統(tǒng)為了更好的管理整個磁盤空間，也會對磁盤進行分區(qū)，對OS來說，管理好一個分區(qū)，就能管理好所有的分區(qū)（每一個分區(qū)的管理方法都一樣），而為了更好的管理一個分區(qū)，又會在該區(qū)內進行分組管理，再次細分為一個一個塊組。同樣，管理好一個塊組，即可管理好整個塊組，進而管理好整個分區(qū)，實現(xiàn)對整個文件系統(tǒng)的管理。

?這種管理策略，有點類似于我們國內為了管理好整個國家，設置了各個省，而為了管理好一個省，又設置了各個市。只不過計算機的這種管理方式要更加簡單些，因為管理的策略都一樣，不像國內各個省市的管理要考慮當?shù)鼐唧w情況。

塊組內的信息

如上所說，OS只需要管理好一個塊組，就能管理好所有的塊組，進而管理好一個分區(qū)，再進而管理好整個文件系統(tǒng)。那么，一個塊組內，都包含些什么呢？如下所示：

上面提到了一個inode節(jié)點，我們知道，Linux下一切皆文件，文件=內容+屬性，Linux是將文件的內容與屬性的數(shù)據分離開來，一個inode節(jié)點內，保存文件的各種屬性信息，比如：文件的讀寫權限、擁有者、文件大小、對應的inode編號等。而文件的內容數(shù)據，則保存在date blocks中對應的一個或多個數(shù)據塊中。

這里需要注意的是：

• 在文件的inode中，不包含文件名
• 目錄也是文件，也有自己的inode編號，其中目錄的數(shù)據塊中存放的則是該目錄下的文件名與對應的inode編號的映射關系。兩者互為Key值。
• inode編號只在該分組所在的分區(qū)內有效。通過inode編號，就可以先確定所在分區(qū)，再確定所在分組。
• 一個文件對應一個inode編號。任何文件，都在處于一個目錄內。所以可以先通過inode Table找到目錄的inode編號，找到inode編號，就找到了inode節(jié)點，節(jié)點內記載著各種屬性，進而找到Block Bitmap的使用情況，根據Block Bitmap再來確定目錄所使用的數(shù)據塊，目錄的數(shù)據塊內包含目錄下的文件名與文件的inode編號的映射關系，從而找到目錄下的某一個具體文件。

我們通過指令ls -l -i來查看文件的inode編號。

磁盤文件的創(chuàng)建與刪除

文件創(chuàng)建

1. 對于文件的創(chuàng)建，首先會找到一個空閑的inode節(jié)點，將文件屬性記錄在該節(jié)點內，同時將該inode節(jié)點對應的inode Bitmap的比特位由0置1
2. 尋找空閑的數(shù)據塊，用來存儲文件的相關內容，并將數(shù)據塊的相關信息填入inode節(jié)點中，同時將對應的BlockBitmap由0置1
3. 將該文件名添加到當前目錄文件的Dateblock中，并將該文件名與對應的inode編號連接起來。

文件刪除

• 文件的刪除，其實只需要對位圖信息進行修改即可
• 首先根據文件所在的目錄。目錄中的dateBlock記載著該目錄下的文件名與inode編號的映射關系，根據映射關系，找到該文件對應的inode
• 根據inode，將對應的BlockBitmap由1置0（刪除內容）
• 再根據inode，將對應的inodeBitmap由1置0。（刪除屬性）

也就是說，假如我們的文件被誤刪除的話，是有一定希望可以進行恢復，只需要將該文件的inode編號對應的位圖信息由0恢復成1即可。當然，這種恢復技術還是由專業(yè)人員來進行操作，我們只要保證刪除文件的inode編號不被其它文件使用即可。

對于其它的一些補充

補充一、

我們知道，在文件的inode節(jié)點中，記載了數(shù)據塊的相關使用信息，可能是用一個數(shù)組來記載，但是此時可能會面臨一個問題，就是假如一個文件使用了15個數(shù)據塊，而一個數(shù)據塊的大小為4kb，也是不是意味著該文件最多能放入15*4=60kb的內容？

答案是否定的，因為數(shù)據塊里面有的可能并不是放著文件的內容，而是存放著該文件使用的其它數(shù)據塊的索引。（有點類似套娃）如下所示：

?如上所示，一個數(shù)據塊內，可能存在多級的索引關系，從而實現(xiàn)對大量數(shù)據的存儲。

補充二、

如上所說，文件的內容采用數(shù)據塊存儲，而一個數(shù)據塊的大小為4kb，那么就可能會出現(xiàn)文件系統(tǒng)中存在大量的，內容非常少導致實際使用的空間很?。赡懿艓讉€字節(jié)，甚至更?。藭r就會出現(xiàn)大量的空間浪費。

實際上假如出現(xiàn)這種情況，確實會出現(xiàn)空間浪費的情況。但是為什么我們不選擇將數(shù)據塊大小設置為1kb呢？實際上這樣做雖然可以處理，但是對于大型文件，就會占用更多的數(shù)據塊，inode也要記錄更多的所使用的數(shù)據塊情況。此時就可能造成文件系統(tǒng)讀寫性能不佳，定義成4kb的原因最主要還是由于普適性。并且如今的磁盤空間容量都比較大，所以一般都是采用4kb的大小來定義一個數(shù)據塊。

end.

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