前言

我們所有的文件都是與進程相關(guān)的文件–進程打開的文件

系統(tǒng)中是不是所有的文件都被打開了呢？如果沒有被打開呢？那么沒有被打開的文件在哪里保存起來呢？

• 在宏觀上，大部分文件是沒有被打開的。沒有被打開的文件保存在磁盤，SSD中。

文件被打開后會在內(nèi)存里，也會像進程一般，OS會有一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對其進行管理，那么OS要不要管理一下磁盤上的文件呢？

• 操作系統(tǒng)OS本身是在內(nèi)存里的，打開文件也是在內(nèi)存里的，本質(zhì)上OS是管理內(nèi)存即可，但是磁盤是一個很重要的設(shè)備，里面存儲著我們很多重要的數(shù)據(jù)以及程序等等，磁盤是一個大的存儲設(shè)備，那么如何保證我們在磁盤里面準(zhǔn)確的找到我們想要的文件并打開呢？OS就會在磁盤里做一個工作–快速定位一個文件

例如：我們?nèi)粘Ｉ钪械牟锁B驛站，你在網(wǎng)上買了幾個快遞到了菜鳥驛站，每日會菜鳥驛站會到很多個快遞，當(dāng)快遞到站了其工作人員會將快遞按照快遞單號都分門別類的放好，也便于人們?nèi)ト】爝f，其核心工作就是為了讓用戶快速定位快遞進行提取，這也就是相當(dāng)于我們的OS所做的工作。
菜鳥驛站的老板不僅會做這些工作，還需要知道菜鳥驛站今天會到多少快遞，已經(jīng)存儲了多少快遞，還有預(yù)估還能存儲多少快遞等等信息，為讓菜鳥驛站好好的運作下去，要讓這些包裹都好好存儲起來。

整個菜鳥驛站就是我們的磁盤，菜鳥驛站的包裹就是我們一個個沒有被打開的文件，菜鳥驛站的老板就相當(dāng)于我們OS內(nèi)的一個文件管理模塊–我們稱為文件系統(tǒng)

• 其主要工作是幫我們把磁盤空間好好管理起來，將眾多文件分門別類的放好，給用戶輸出一種統(tǒng)一的服務(wù)，快速定位到文件，定位文件的方式就是我們的路徑

1.磁盤物理結(jié)構(gòu)

為了好好理解文件系統(tǒng)，我們先來認識一下磁盤

• 磁盤我們大部分人都不理解，只是清晰其概念，是一個很大的存儲設(shè)備。
• 筆記本一般是不裝磁盤了，一般都是SSD(固態(tài)硬盤)，臺式電腦可能還會有磁盤。
• 磁盤一般按照功能劃分會分成桌面級磁盤和企業(yè)級磁盤，退回到2012年，那個時候的電腦大部分裝的都是磁盤，SSD(固態(tài)硬盤)在那個時候比較貴。

我們今天談?wù)摰拇疟P是企業(yè)級磁盤。磁盤在今天是并沒有被淘汰，SSD在今天比磁盤依然是要貴的，磁盤存儲的數(shù)據(jù)量比較大，又便宜，性價比比較高

• 盤片：白色的盤像光盤一樣的就是盤片，我們的數(shù)據(jù)就是存儲在上面，我們平時見到的光盤是只讀的，只能被寫入一次，盤片是可以不限次數(shù)被寫入的，光盤一般只有一面是光的，也就是只有一面有我們的數(shù)據(jù)，而盤片兩面都是光的，沒有正反，或者正反兩面都可以存儲數(shù)據(jù)，家用的桌面級磁盤，這個盤片只有一片兩面，很薄；企業(yè)級磁盤拆開的就是一摞的。
• 磁頭：磁盤上一個像指針的東西，一個尖尖的就是我們的磁頭，一面一個磁頭，不是一個盤片一個磁頭，加點后磁頭就會移動到盤面區(qū)。
• 音圈馬達：盤片中央的位置就是我們的音圈馬達，馬達就是充電了就會轉(zhuǎn)，盤片就是被音圈馬達帶動著旋轉(zhuǎn)，盤片轉(zhuǎn)動的時候，我們的磁頭就會來回左右搖擺，磁頭的擺動就是在盤片上進行尋址。
  
• 伺服系統(tǒng)：在硬盤的背面，有磁盤對應(yīng)的硬件電路，叫做伺服系統(tǒng)，用來控制我們的磁盤，磁盤內(nèi)部的二進制指令通過伺服系統(tǒng)進行識別，比如開機關(guān)機尋址讀寫等等，控制盤片和磁頭進行尋址。
  

1. 每一個盤片的轉(zhuǎn)動速度取決于錢越多轉(zhuǎn)動速度越快，磁頭擺的也就越快，對應(yīng)的速度也越快。
2. 磁頭貼在盤片上，好像是挨在一起，但是是沒有挨在一起的，如果挨在一起就會刮花盤片，就會丟失數(shù)據(jù)。
3. 在剛開機的時候一定是盤片高速旋轉(zhuǎn)，然后磁頭懸浮在盤面之上，幫我們找到數(shù)據(jù)，這個時候臺式機最怕的就是突然斷電或者強制關(guān)機，磁頭失去動力就會落下來，由于慣性盤片會持續(xù)旋轉(zhuǎn)，那么就會刮花盤片。這也是磁盤為什么被淘汰的原因之一
4. 我們聽到過很多說計算機只認識二進制01，這是沒問題的，但是電腦上真正存的是01二進制數(shù)據(jù)嗎？早期發(fā)明計算機的人發(fā)明了一種硬件電路，這個硬件電路可以短暫進行存儲數(shù)據(jù)，存一個高低點位，我們叫做觸發(fā)器，有一個觸發(fā)器就存一個高電平，兩個觸發(fā)器就能存兩個，一個高電平一個低電平，所以這就是有和無，也就是1和0。計算機里面存的根本就不是0和1這樣的二進制數(shù)字，這是被人為規(guī)定出來的，根據(jù)不同的介質(zhì)0和1也會被賦予不同的含義，有的是以信號的強弱表示0和1，有的是以信號的有無表示0和1，所以主要我們對應(yīng)的計算機設(shè)備能夠找出對應(yīng)兩態(tài)的就可以用0和1進行表示。
5. 磁盤能存數(shù)據(jù)，我們可以將其想象成由無數(shù)個磁鐵構(gòu)成，磁鐵是具有南北兩極的，在磁盤當(dāng)中每一塊小磁鐵可以看做南極為1，北極為0，這樣盤片上連續(xù)寫一二十個字節(jié)也就是在改變小磁鐵的朝向，我們想改寫全1，就是將小磁鐵南極朝上即可。
6. 一塊磁鐵扔到家里不管，如果很久不管依然會有磁性，這也就是磁盤為什么能長久存儲數(shù)據(jù)的原因，所以我們將磁盤叫為永久存儲設(shè)備

[總結(jié)]

1. 磁盤是有多個盤片和磁頭組成的，盤片和磁頭是1:1的
2. 磁頭和盤片經(jīng)過旋轉(zhuǎn)移動進行定位尋址
3. 磁盤是機械設(shè)備，不允許我們在其開機時進行移動、搬遷等等，出現(xiàn)物理上的損失
4. 盤片和磁頭離得比較近，所以要求我們的磁盤要防震，以及內(nèi)部要是無塵的，磁盤是很需要高精度的技術(shù)的，國外走的比較早，所以國外的技術(shù)是非常領(lǐng)先的
5. 企業(yè)磁盤的數(shù)據(jù)失去其價值的時候，是不會將磁盤隨便扔掉的，但是對于磁盤需要去銷毀，有人說可以消磁也有人說可以丟進火里燒毀，當(dāng)然了這兩種辦法都是可行的，但是這費人費力消耗太大，所以我們的企業(yè)通過和另一些企業(yè)通力合作，通過一定的指令技術(shù)，將磁盤數(shù)據(jù)全部寫0或者1，來達到消除數(shù)據(jù)的功效，進行集中報廢

2.磁盤的物理存儲

磁盤各個面的展開圖如下：

• 磁道/柱面：這里面的扇區(qū)是我們磁盤IO的基本單位—不一定是系統(tǒng)和磁盤IO的基本單位，每一個扇區(qū)都有唯一的編號
  
• 磁頭、盤面：盤片的每一個面叫做盤面，每一個盤面都有唯一的編號

如果我們想訪問磁盤里的一個扇區(qū)：
通過磁頭定位：磁道/柱面(cylinder)，確認使用哪一個磁頭(head)，再進行確認哪一個扇區(qū)(sector)
這種定位方案叫做CHS定位法
了解了這些，那么文件不就是多個扇區(qū)承載的數(shù)據(jù)嗎？

3.磁盤的邏輯存儲

我們先來認識一下磁帶

磁帶存儲的數(shù)據(jù)就在這一條帶子上面，它是圈起來通過馬達將其一點一點移動的，通過技術(shù)讀取帶子數(shù)據(jù)，這一整個帶子圈起來就相當(dāng)于盤片里的一面，全部抽出來拉直了不就是一惡搞線性存儲結(jié)構(gòu)嗎？

在我看來，磁盤也就是一個非常巨大的線性空間，而扇區(qū)就是其中一塊一塊的連續(xù)空間，可以理解為磁盤是這一整個線性空間，而磁道和扇區(qū)就是這其中一個一個的子空間，也就是說，我們對磁盤的管理也就是對數(shù)組的增刪查改！我們就可以通過一個磁道有多少個扇區(qū)來訪問到目標(biāo)扇區(qū)

1. 磁盤是會自己轉(zhuǎn)化成為線性地址供我們訪問的

2. 操作系統(tǒng)認為，一次和磁盤IO一個扇區(qū)單位太小了，訪問速度太慢了，OS文件系統(tǒng)認為：IO的基本單位是4KB，如果一個扇區(qū)是512B，那么OS會一次訪問8個扇區(qū)去進行IO。

3. 在OS內(nèi)部就會重新形成一個8個扇區(qū)為一個子數(shù)組的線性結(jié)構(gòu)，這樣每8個扇區(qū)就會對應(yīng)一個數(shù)組下標(biāo)。這每一塊數(shù)組的地址就是邏輯區(qū)塊地址(Logical Block Address, LBA)

4. 邏輯區(qū)塊地址(Logical Block Address, LBA)是描述計算機存儲設(shè)備上數(shù)據(jù)所在區(qū)塊的通用機制，一般用在像硬盤這樣的輔助記憶設(shè)備。LBA可以意指某個數(shù)據(jù)區(qū)塊的地址或是某個地址所指向的數(shù)據(jù)區(qū)塊?，F(xiàn)今計算機上所謂一個邏輯區(qū)塊通常是512或1024位組。ISO-9660格式的標(biāo)準(zhǔn)CD則以2048位組為一個邏輯區(qū)塊大小。

5. LBA是非常單純的一種定址模式﹔從0開始編號來定位區(qū)塊，第一區(qū)塊LBA=0，第二區(qū)塊LBA=1，依此類推。這種定址模式取代了原先操作系統(tǒng)必須面對存儲設(shè)備硬件構(gòu)造的方式。最具代表性的首推CHS(cylinders-heads-sectors，磁柱-磁頭-扇區(qū))定址模式，區(qū)塊必須以硬盤上某個磁柱、磁頭、扇區(qū)的硬件位置所合成的地址來指定。CHS模式對硬盤以外的設(shè)備來說沒什么作用(例如磁帶或是網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備)，所以通常也不會用在這些地方。過去MFM(Modified Frequency Modulation, 改良調(diào)頻式)和RLL(Run Length Limited)存儲設(shè)備都曾使用CHS模式，ATA-1設(shè)備更將延伸CHS(Extended Cylinders-Heads-Sectors, ECHS)也派上了用場。

6. SCSI采用LBA抽象定址。實際上硬件控制器還是以CHS來定址區(qū)塊，但無論驅(qū)動程序還是任何以低級訪問磁盤的應(yīng)用程序(例如數(shù)據(jù)庫軟件)通常都不再需要這個參數(shù)。各種要求區(qū)塊低級訪問的系統(tǒng)調(diào)用把定義好的LBA傳給驅(qū)動程序﹔最直接的情況下(邏輯器件與實體設(shè)備單一對應(yīng))驅(qū)動程序只是將LBA再傳給硬件控制器。

一個磁盤整體空間是非常大的，我們OS會將其劃分成一個一個小塊。會對這個空間進行分區(qū)操作，分完區(qū)又會對其進行分組，將每一個小塊進行管理就會將整個空間管理好了

大部分筆記本都只有一塊磁盤，我們電腦里的C盤D盤是我們系統(tǒng)對其進行了分區(qū)的。

4.文件系統(tǒng)

Linux磁盤文件特性：

文件=內(nèi)容+屬性
內(nèi)容和屬性分開存儲
內(nèi)容是大小不確定，可能很大，也可能很小，這是可變的
屬性是固定大小的，屬性的類別是一樣的，只不過每個類別內(nèi)容不一樣

我們所有的文件的屬性對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體存儲都叫inode
注： 文件名不屬于文件屬性！

為了能解釋清楚inode我們先簡單了解一下文件系統(tǒng)

Linux ext2文件系統(tǒng)，上圖為磁盤文件系統(tǒng)圖（內(nèi)核內(nèi)存映像肯定有所不同），磁盤是典型的塊設(shè)備硬盤分區(qū)被劃分為一個個的block。一個block的大小是由格式化的時候確定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b選項可以設(shè)定block大小為1024、2048或4096字節(jié)。而上圖中啟動塊（Boot Block）的大小是確定的

• 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。政府管理各區(qū)的例子

• 超級塊（Super Block）：存放文件系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)信息。記錄的信息主要有：bolck 和 inode的總量，未使用的block和inode的數(shù)量，一個block和inode的大小，最近一次掛載的時間，最近一次寫入數(shù)據(jù)的時間，最近一次檢驗磁盤的時間等其他文件系統(tǒng)的相關(guān)信息。Super Block的信息被破壞，可以說整個文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就被破壞了

• GDT，Group Descriptor Table：塊組描述符，描述塊組屬性信息，有興趣的同學(xué)可以在了解一下塊位圖（Block Bitmap）：Block Bitmap中記錄著Data Block中哪個數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被占用，哪個數(shù)據(jù)塊沒有被占用

• inode位圖（inode Bitmap）：每個bit表示一個inode是否空閑可用。

• i節(jié)點表(inode table):存放文件屬性 如 文件大小，所有者，最近修改時間等

• 數(shù)據(jù)區(qū)：存放文件內(nèi)容

使用指令ls -i就可以看到文件的inode
位于文件最前面的數(shù)字編號就是inode編號

系統(tǒng)中，標(biāo)識一個文件，用的不直接是文件名，而是inode

將屬性和數(shù)據(jù)分開存放的想法看起來很簡單，但實際上是如何工作的呢？我們通過touch一個新文件來看看如何工作。

為了說明問題，我們將上圖簡化：

創(chuàng)建一個新文件主要有一下4個操作：

1. 存儲屬性

內(nèi)核先找到一個空閑的i節(jié)點（這里是263466）。內(nèi)核把文件信息記錄到其中。

2. 存儲數(shù)據(jù)

該文件需要存儲在三個磁盤塊，內(nèi)核找到了三個空閑塊：300,500，800。將內(nèi)核緩沖區(qū)的第一塊數(shù)據(jù)復(fù)制到300，下一塊復(fù)制到500，以此類推。

3. 記錄分配情況

文件內(nèi)容按順序300,500,800存放。內(nèi)核在inode上的磁盤分布區(qū)記錄了上述塊列表。

4. 添加文件名到目錄

新的文件名abc。linux如何在當(dāng)前的目錄中記錄這個文件？內(nèi)核將入口（263466，abc）添加到目錄文件。文件名和inode之間的對應(yīng)關(guān)系將文件名和文件的內(nèi)容及屬性連接起來。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-847920.html

到了這里，關(guān)于【linux深入剖析】深入理解基礎(chǔ)外設(shè)--磁盤以及理解文件系統(tǒng)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY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)！