??作者：小樹苗渴望變成參天大樹??
??作者宣言：認(rèn)真寫好每一篇博客??
??作者gitee:gitee?
??作者專欄：C語言,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初階,Linux,C++ 動態(tài)規(guī)劃算法??
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前言

今天我們開始講解文件系統(tǒng)，上一篇我們通過文件操作，解決了一系列我們之前只停留在表面的操作，例如文件操作，重定向，緩沖區(qū)這些，但是我們還是不知道什么是文件系統(tǒng)，因?yàn)槲覀兩弦黄v解的被打開的文件，加載到內(nèi)存，不在文件系統(tǒng)管理范圍的了，今天我們要說的是沒有被打開的文件，此時是放在硬盤里面的，那么硬盤怎么講我們這些沒有被打開的文件給存儲起來的呢。這篇帶大家來理解一下，讓我們對文件系統(tǒng)有重新認(rèn)識了一下。

本章講解順序
1.認(rèn)識硬件
2.在談文件系統(tǒng)

一、認(rèn)識硬件

大家應(yīng)該都知道，我們的硬盤是儲存計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的，以為內(nèi)存是一個有電設(shè)備，斷電后上面的數(shù)據(jù)都沒有了，所以需要一個在斷電后存儲數(shù)據(jù)的硬件，那就是硬盤，我們現(xiàn)代的硬盤幾乎都是SSD了，但是在以前我們使用的都是磁盤，今天博主給大家講解的硬件設(shè)備就是磁盤，因?yàn)榇疟P的樣貌適合我們?nèi)ブv解的，現(xiàn)代的SSD和磁盤原理都是一樣的，只是集成了，不便于我們?nèi)チ私馑脑?，博主講通過圖片的方式一一給大家進(jìn)行講解。

1.1磁盤是什么？？

磁盤是唯一的一個是機(jī)械設(shè)備的外設(shè)，讓我們一起來看看。

我們打開看看磁盤里面的結(jié)構(gòu)，非常的光亮，里面有許多結(jié)構(gòu)，主要的是磁頭和盤片，數(shù)據(jù)就存儲在盤片上，在盤片運(yùn)作的時候磁頭會移到盤片上，來掃描盤片里面的數(shù)據(jù)，盤片的個數(shù)是按照磁盤的存儲數(shù)據(jù)量的大小而決定的，數(shù)據(jù)越多盤片就越多，這是在出廠的時候就設(shè)定好了的，而這些盤片都是由一個馬達(dá)一起帶著轉(zhuǎn)動的，同事旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動速度都是一樣的。我們的每一片盤片都有兩面，每一面都可以存儲數(shù)據(jù)，所以都必須有磁頭，磁頭是盤片的兩本，而這些磁頭也是另一個馬達(dá)同時控制轉(zhuǎn)動的，這些磁頭俯視來看都是重疊在一起的，我們找數(shù)據(jù)必須在盤片上進(jìn)行尋找，而這些都是通過磁頭轉(zhuǎn)到那個位置去定位到我們要找到的數(shù)據(jù)，此時就要知道是哪個磁頭，就可以對應(yīng)到哪個盤片，在通過磁頭轉(zhuǎn)動的角度來讀取數(shù)據(jù)

盤片轉(zhuǎn)動的速度可以達(dá)到每秒幾萬轉(zhuǎn)，大家看圖，磁頭和盤片很近，但是不會接觸，這樣就不會導(dǎo)致盤片刮花，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取失敗，我們最好不要開始的來回拌勻電腦，開機(jī)狀態(tài)磁盤會轉(zhuǎn)到盤片上，震動有可能使磁頭上面抖動，掛到盤片，我們的一個磁盤在生產(chǎn)的時候都會在一個無塵的地方用封膠，防止灰塵對盤片有影響，拆開后的磁盤一般都報廢了

有了上面的介紹我們大致知道磁盤是怎么工作的，但是里面的細(xì)節(jié)我們不知道，只知道磁頭同時轉(zhuǎn)，盤片同時轉(zhuǎn)，磁頭在盤片上就可以讀取數(shù)據(jù)了，關(guān)于怎么存儲，我們是不知道的，接下來解決這個問題

1.2磁盤的具體存儲細(xì)節(jié)

我們來看一下更內(nèi)部的結(jié)構(gòu)

博主拿一面過來介紹。

按照上面的
盤面我們劃分成四個區(qū)域，每一個都是同心圓，而這每個圓叫做磁道，這四個區(qū)域中的其中一個里面的黃色部分就是扇區(qū)，他是一條有弧度的線，里面都是二進(jìn)制位，類似于這樣
磁頭會發(fā)射電流使得這上面的數(shù)據(jù)0/1之間來回變化的。大家看到垌一個區(qū)域上扇區(qū)的長度是不一樣的，這樣就導(dǎo)致不均勻，但是現(xiàn)在已經(jīng)幾乎均勻了，是通過盤片不同位置的密度所控制的，來圓心近一點(diǎn)的二進(jìn)制位離得近一些，則反之.扇區(qū)是我們磁盤最基本的單位–512字節(jié)/4kb，（為什么是這個大小呢，這是一些數(shù)學(xué)家算出來這樣的大小有利于提高整機(jī)效率，具體的博主也不清楚）磁盤可以看成是無數(shù)個扇區(qū)組成的存儲介質(zhì)

我們是通過磁頭來將數(shù)據(jù)寫入盤片，此時第一個要解決的問題就是定位一個扇區(qū)，就是先定位時哪個盤面（這是通過哪個磁頭決定的），再定位到哪個磁道，最后就可以定位到是哪個扇區(qū)。

解決上面的問題：對磁盤進(jìn)行邏輯結(jié)構(gòu)分析
相信在我們這個年紀(jì)的人，在小時候應(yīng)該都見過磁帶，博主經(jīng)常在英語聽力的時候看到。

我們的磁帶也是存儲數(shù)據(jù)的，把他扯出來就是一個長長的直線，為什么磁帶要設(shè)計(jì)成圓形？？（因?yàn)檫@樣可以更多的增加磁帶的長度，增加磁帶的存儲容量），磁帶扯出來以后整體就想一個數(shù)組，此時我們的磁盤就也可以抽象成數(shù)組，假設(shè)我們磁盤有三個盤片，就有六個磁頭，把每個盤片分成10個磁道，每個磁道分成5個扇區(qū)，我們的數(shù)組就可以劃分成如下圖

此時我們就把磁盤的物理結(jié)構(gòu)就變成了邏輯結(jié)構(gòu)，只要給我一個數(shù)組下標(biāo)，就可以計(jì)算出對應(yīng)的盤片，磁頭，磁道。

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假設(shè)每個盤片2W個扇區(qū)，每個盤片有50個磁道，這樣就可以算出每個磁道有400個扇區(qū)。外部傳進(jìn)來數(shù)組下標(biāo)是28888

邏輯地址又叫LBA地址，這樣我們就可以通過LBA地址計(jì)算出來磁盤的CHS地址，反過來計(jì)算也可以。

再次回歸到硬件，我們之前說過不止CPU有寄存器，其他外設(shè)也有，當(dāng)然這也包括磁盤

所以大家應(yīng)該知道我們是怎么讓磁盤獲得數(shù)組下標(biāo)在進(jìn)行轉(zhuǎn)化的吧。

二、文件系統(tǒng)

我們知道可以從邏輯結(jié)構(gòu)專程物理結(jié)構(gòu)，那么我們接下來就在邏輯地址上進(jìn)行講解，因?yàn)檫壿嫿Y(jié)構(gòu)是我們所熟悉的結(jié)構(gòu)。
Linux下一切皆文件，這個大家都知道了，我們磁盤里面也存儲了許多沒有被打開的文件，那么這些文件不可能在磁盤里面里面隨便放著，從進(jìn)程開始我們就開始講解管理，方便我們?nèi)ゲ僮?，所以我們磁盤里面的文件也需要管理，這樣讀取文件的時候就方便。假設(shè)我們的磁盤有800G的容量，這太大了，管理起來太麻煩，所以我們要進(jìn)行劃分，將它劃分成200G左右的，但是也太大了，在瓜分成10G的，把這10G管理好，其余區(qū)域復(fù)制粘貼過去較好，來看劃分圖，所以分區(qū)就是我們電腦上的C盤，D盤

此時我們的重點(diǎn)就來到最底下的一幅圖，大家應(yīng)該都不理解，接下來博主就來給大家一一介紹

最底下的一幅圖就是我們的文件系統(tǒng)

**（1）**啟動塊（Boot Block），這個大小是設(shè)定好的
**（2）**Block Group：ext2文件系統(tǒng)會根據(jù)分區(qū)的大小劃分為數(shù)個Block Group。而每個Block Group都有著相同的結(jié)構(gòu)組成。 將著10個g的空間瓜分成n個block group，接下來我們介紹其中一個block group
**（3）**datablocks:這是數(shù)據(jù)塊，里面有很多小塊，大小都是4kb,里面存放的都是內(nèi)容，所以存文件內(nèi)容的區(qū)域，以塊的形式呈現(xiàn)。
**（4）**inode table:這是屬性數(shù)據(jù)塊，里面存放單個文件的所有屬性，一般而言，一個文件一個inode,inode是一個結(jié)構(gòu)體，大小是128字節(jié)，這個結(jié)構(gòu)體里面還有一個inode編號。

大家應(yīng)該看到博主把里面的其中三個屬性標(biāo)紅了嗎，這是我們今天所講的重點(diǎn)。第一個標(biāo)紅的屬性是唯一標(biāo)識文件的，只有找到他才能找到我們的文件所存儲的位置，第二個標(biāo)紅的屬性，等到講解軟硬件鏈接的時候再說，第三個標(biāo)紅的屬性是找對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊（在上面我們說過datablock被分成很多小塊，每個小塊大小為4kb,我們給這些小塊設(shè)置下標(biāo)，一個文件可能占用的不止一個小塊而是多個，而第三個屬性是一個數(shù)組，大小一般為15，他里面的內(nèi)容就是小塊的下標(biāo)，這樣就形成了映射了，有的人會說，一個小塊4kb，數(shù)組才15個，這才可以對應(yīng)60kb大小的文件啊，當(dāng)文件特別大的時候，數(shù)組就不夠，難道會擴(kuò)容？？答案是不會擴(kuò)容，我們的數(shù)組前12個位置是直接映射關(guān)系，里面存放的是小塊對應(yīng)的編號，后面三位是間接映射關(guān)系，我們數(shù)據(jù)塊里面規(guī)定好了，不止可以存放文件的數(shù)據(jù)，也可以存放其他小塊的編號，后三位的前兩位是兩級索引，里面存放的也是小塊的編號，只不過這個小塊里面的內(nèi)容是其他小塊的編號，4kb的大小為4512字節(jié)，一個編號是一個整型，大小是4字節(jié)，所以兩個小塊可以存放1024個編號，大小變成了4096kb=4MB,最后一位是三級索引，里面存放的是小塊的編號，里面的內(nèi)容依舊存儲編號可以存儲512個小塊的編號，在繼續(xù)往下面的小塊里面存儲編號，每個小塊又可以存儲512個小塊編號，此時就有512512=262144個小塊，每個小塊存儲的數(shù)據(jù)大小為4kb,可以存儲4*262144=1048576kb=1GB）來看圖解，理解一下：

通過上面的講解我們的文件是怎么存儲了的吧，還有一個重要點(diǎn)的就是文件系統(tǒng)里面的文件屬性和文件內(nèi)容是分開存儲的

（5）block bitmap:用來標(biāo)識我們數(shù)據(jù)塊有沒有被使用，比特位的位置和塊號映射起來，比特位的內(nèi)容，就是表示該塊有沒有被使用，所以我們刪除一個文件的時候，不需要講數(shù)據(jù)塊里面的內(nèi)容清空，只需要將對應(yīng)的比特位置0就可以了，下次在使用此位置就直接覆蓋就行了，所以大家有沒有發(fā)現(xiàn)，下載很大的文件時間很長，但是刪除一個文件的時候速度很快，原因就在這里。大家如果誤刪一個文件后，其實(shí)可以恢復(fù)，蛋需要專業(yè)的軟件和技術(shù)人員，將比特位置1，就可以了，但是此時你這塊位置沒有被使用過，不然內(nèi)容就被覆蓋了，所以誤刪最好就是什么都不要動，交給專業(yè)的人。

（6） inode bitmap:用來標(biāo)識我們的inode有沒有被使用，比特位的位置和inode的標(biāo)號映射起來，這個inode的個數(shù)是在分區(qū)的時候就劃分好的，個數(shù)是確定好的，當(dāng)inode使用完了，而數(shù)據(jù)塊還有，也是創(chuàng)建不了文件的，數(shù)據(jù)塊沒有，inode還有也創(chuàng)建不了文件。所以接下來就有了我們super block
（7） super block：文件系統(tǒng)的基本信息
里面包含了整個分區(qū)的基本使用情況（一共多少個組，每個組的大小，每個組的inode數(shù)量，每個組的block數(shù)量，每個組的起始inode,文件系統(tǒng)的類型與名稱等），這是每個分區(qū)里面的屬性，不會在每個分組里面都有的，一般只在開頭。所以在每個分區(qū)使用前，都必須提前將部分文件系統(tǒng)屬性的信息提前設(shè)置進(jìn)對應(yīng)的分區(qū)中，方便我們后續(xù)使用這個分區(qū)或者分組，這也叫格式化

（8） Group Descriptor Table：這是描述一個分組里面的情況，有多少數(shù)據(jù)使用，還剩多少，有多少inode被使用，還剩多少，一些屬性的。

inode vs 文件名

我們的一切根源都是通過inode去操作的，找到文件：inode編號->分區(qū)特定的分組->inode->屬性->內(nèi)容。在Linux系統(tǒng)中，一個文件，一個inode,每個inode都有自己的inode編號（inode的設(shè)置，是以分區(qū)為單位的，不能跨分區(qū)），inode標(biāo)識文件的所有屬性，文件名并不屬于inode這個結(jié)構(gòu)體里面的屬性，那我們怎么知道一個文件的inode編號的呢？？我們用戶從來沒有使用過inode,我們一直使用的是文件名，所以這兩者肯定有一種聯(lián)系。這就要依托于我們的目錄結(jié)構(gòu)，我們的目錄也是文件，有自己的inode, 就可以找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊，那數(shù)據(jù)塊里面存儲的是什么內(nèi)容呢？？但是就是文件名和inode的映射關(guān)系，兩者互為key值。這樣我們操作文件名，就間接操作了inode了。因?yàn)閕node是唯一的，所以統(tǒng)一目錄下不能有同名文件

此時大家理解一下：

1. 目錄下，沒有w,我們就無法創(chuàng)建文件
2. 目錄下，沒有r,我們就無法查看文件
3. 目錄下，沒有x,我們就無法進(jìn)入文件
   在思考一下：
   新建文件，刪除文件，查找文件，修改文件，系統(tǒng)要做什么？？，這個問題博主交給讀者，相信學(xué)習(xí)了上面的內(nèi)容，我認(rèn)為聰明的你肯定知道思考題的答案。

三、軟硬鏈接

3.1軟硬鏈接效果的展示

在講解軟硬件鏈接的時候，先不講概念，先讓大家看到軟硬件鏈接怎么去操作，長什么樣，才能更好的給大家講解，就好比先給大家看看磁盤結(jié)構(gòu)，在講原理，大家才能更好的理解。
我們來看操作結(jié)果。

我們的第一個是建立文件的硬連接，第二個是建立文件的軟鏈接，在ls上加一個-i選項(xiàng)就可以查看到文件的inode，對于軟硬件鏈接，我們看到最明顯的區(qū)別就是硬連接和原文件是同一個inode,所以說明硬連接沒有創(chuàng)建新的文件，而軟鏈接有一個屬于自己的inode.兩者的刪除使用unlink，可能使用rm kennel不行，但是刪除后都不會影響原文件。

3.2 概念講解

通過上面的演示，我們看到兩者出現(xiàn)了不同的效果：
（1）軟鏈接的理解
軟鏈接有自己獨(dú)立的inode,也就是一個獨(dú)立的文件，有自己的inode編號，和數(shù)據(jù)塊，里面的內(nèi)容存儲的是指向原文件的路徑，上面的演示是在同一目錄下建立的軟鏈接，看不出來優(yōu)勢，接下來給大家展示一下不同目錄下建立軟鏈接文件。
軟鏈接的應(yīng)用場景
我們通過軟鏈接，把深路徑的程序在淺路徑執(zhí)行出來了，大家有沒有發(fā)現(xiàn)這就是我們windows下的桌面快捷方式，相信大家小時候卸載軟件都是直接把桌面的圖標(biāo)給刪除了就認(rèn)為都刪除了，但實(shí)際上，只是刪除掉快捷方式的文件，真正的可執(zhí)行程序在你安裝目錄下存在著呢。

注意：我們軟鏈接文件里面存儲的是指向原文件的路徑，所以只刪除軟鏈接文件么有問題，但是只刪除原文件就會出現(xiàn)問題

（2）硬連接的理解
硬連接文件和原文件是同一個inode，可以理解為硬連接是我們原文件的一個別名，其實(shí)可以理解為互為別名，刪除任意一個其他的都不受影響，大家還記得我們在介紹inode結(jié)構(gòu)體的時候，說第二個標(biāo)紅的屬性引用計(jì)數(shù)后面來講，此時就是講解他的最好時機(jī)。

這一串?dāng)?shù)字表示的就是硬連接數(shù)，當(dāng)刪除一個文件的時候，只有等到硬連接數(shù)減到0的時候，才會刪除，不然只會計(jì)數(shù)減減，他家有沒有發(fā)現(xiàn)技術(shù)有時候是相同，這個引用計(jì)數(shù)在智能指針，文件描述符表，和硬連接數(shù)都出現(xiàn)了，所以系統(tǒng)方面的知識連貫性很大。

硬連接具體做了什么，就是在指定目錄下(可以不在同一個目錄下)，建立文件名和指定inode的映射關(guān)系–僅此而已

硬連接的應(yīng)用場景
他的應(yīng)用場景不是很多，但是運(yùn)用在廣泛的是進(jìn)行目錄間的切換。
我們先來創(chuàng)建一個目錄文件

普通文件的默認(rèn)硬連接數(shù)是1，目錄文件的默認(rèn)的硬鏈接數(shù)是2

我們來看一下此目錄文件的inode

我們看到目錄文件在一開始就要兩個隱藏文件 點(diǎn)點(diǎn)代表當(dāng)前路徑，點(diǎn)點(diǎn)代表上一路徑，所以點(diǎn)文件和當(dāng)前文件的inode是同一個。

硬鏈接不允許給目錄，軟鏈接可以。

為什么硬鏈接不允許給目錄呢？？
這樣會造成環(huán)路問題，我們的操作文件的前提是查找到這個文件，所以路徑是方便我們查找的，所以查找回在路徑文件里面去查找，如果在一個目錄里面有硬鏈接后的路徑文件，就要可能往回找了

所以我們才可以使用相對路徑去進(jìn)行操作，那點(diǎn)和點(diǎn)點(diǎn)不就是對目錄進(jìn)行硬鏈接？而且點(diǎn)和點(diǎn)也是存在環(huán)路問題啊？為什么可以呢？原因是這是系統(tǒng)自帶的，人家可以，我們用戶不可以，所以可以進(jìn)行硬鏈接，而我們搜索路徑的時候，不去點(diǎn)和點(diǎn)點(diǎn)里面進(jìn)行搜索，這樣就避免了環(huán)路。

四、補(bǔ)充知識

先發(fā)布，晚點(diǎn)再來補(bǔ)充，各位讀者們。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-757196.html

到了這里，關(guān)于【Linux】-文件系統(tǒng)的詳解以及軟硬鏈接的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！