目錄
??前言??
?? 硬盤
??? 物理結(jié)構(gòu)
??? 存儲結(jié)構(gòu)
??? CHS定址法
??? 操作系統(tǒng)對硬盤的管理和抽象
?? 文件系統(tǒng)
??? 分區(qū)
??? 分組
??? inode號
?分配
??? 逆向路徑解析
分區(qū)掛載
目錄作用
?? 總結(jié)
??前言??
? ? ? ? 歡迎收看本期【Linux雜貨鋪】內(nèi)容，本期主要講解文件系統(tǒng)的概念，其中我們會(huì)先講解什么是硬盤，硬盤的物理和邏輯結(jié)構(gòu)分別是什么樣子，最后會(huì)講解操作系統(tǒng)是如何通過文件系統(tǒng)管理硬盤的。
????????
?? 硬盤
??? 物理結(jié)構(gòu)
? ? ? ? 硬盤也叫做磁盤，中間有一個(gè)盤面，盤面是可讀可寫可擦除的一個(gè)設(shè)備，每一個(gè)盤面都有一個(gè)磁頭。盤面會(huì)進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，磁頭在馬達(dá)和永磁鐵的作用下，會(huì)左右擺動(dòng)，通過電磁感應(yīng)等方式，將0,1這樣的數(shù)據(jù)存儲在硬盤上。
? ? ? ? 所以硬盤本質(zhì)上是一個(gè)機(jī)械設(shè)備。
??? 存儲結(jié)構(gòu)
? ? ? ? 硬盤讀寫的基本單位就是：扇區(qū)（512 B 或者 4 KB）。
? ? ? ? 通過上圖得出結(jié)論： 1片 = n個(gè)磁道（柱面） ； n個(gè)磁道（柱面）= m個(gè)扇區(qū)
??? CHS定址法
????????了解了磁盤上有盤片，柱面和扇區(qū)后，扇區(qū)就是磁盤讀寫的基本單位，想要找到數(shù)據(jù)，就要找到指定盤片上指定柱面上的指定扇區(qū)，這就是CHS定址法。
? ? ? ? 1. 找到指定的磁頭（Header）
? ? ? ? 2. 找到指定的磁道/柱面（Cylinder）
? ? ? ? 3. 找到指定的扇區(qū)（Sector）
? ? ? ? 所以得出結(jié)論，盤片為什么要告訴旋轉(zhuǎn)？定位指定扇區(qū)。磁頭為什么要左右擺動(dòng)？定位指定的磁道
??? 操作系統(tǒng)對硬盤的管理和抽象
? ? ? ? 如果OS直接使用CHS，耦合度太高（硬件改變，影響軟件，軟件也要改變），同時(shí)也為了方便實(shí)現(xiàn)內(nèi)核進(jìn)行磁盤管理，所以需要進(jìn)行邏輯抽象。OS和磁盤進(jìn)行交互的時(shí)候，基本單位是4KB（8個(gè)連續(xù)的Sector）。
? ? ? ? 我們將一個(gè)個(gè)圓的磁盤抽象成一個(gè)巨大的數(shù)組，每一個(gè)元素就是一個(gè)sector，我們就會(huì)有一個(gè)扇區(qū)數(shù)組 sector disk_array[N]。
? ? ? ? 有了數(shù)組，天然的就會(huì)有下標(biāo)index，我們就可以使用下標(biāo)，通過某種算法，轉(zhuǎn)換為CHS地址，這樣就進(jìn)行了解耦。
? ? ? ? 舉個(gè)例子，我們有個(gè)硬盤，每個(gè)面有1000個(gè)扇區(qū)，10個(gè)磁道,即每1個(gè)磁道有100個(gè)扇區(qū)。
? ? ? ? index / 1000 = H
? ? ? ? index % 1000 = temp [0 , 999]
? ? ? ? temp / 100 = C
? ? ? ? temp % 100 = S
? ? ? ? 我們先確定在哪個(gè)盤面，在確定在哪個(gè)柱面，最終定位到在哪個(gè)扇區(qū)。
? ? ? ? OS每次操作只能是512B的話，效率太低。所以一般而言，磁盤訪問的基本單位是512B，OS與磁盤交互的基本單位是4KB（8 * sector）。一次I/O讀取更多數(shù)據(jù)，提高了效率。
? ? ? ? 8個(gè)連續(xù)的扇區(qū)，就稱作數(shù)據(jù)塊。每一個(gè)塊都有一個(gè)塊號，我們通過 塊號 * 8 = index ，就能將塊號轉(zhuǎn)為sector數(shù)組下標(biāo)，得到扇區(qū)的下標(biāo)就能轉(zhuǎn)為CHS地址。
? ? ? ? 所以對OS而言，讀取數(shù)據(jù)，就以塊為單位。
? ? ? ? 所以我們只要知道了硬盤大小，就能知道有多少個(gè)塊，每個(gè)塊的塊號也就有了，知道了起始塊的塊號，連續(xù)的讀8個(gè)sector下標(biāo)，就能轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的多個(gè)CHS地址。
? ? ? ? 這就是LBA（邏輯區(qū)塊地址）。LBA可以意指某個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊的地址或是某個(gè)地址所指向的數(shù)據(jù)區(qū)塊。
? ? ? ? 這樣就得到了LBA數(shù)組，LBA block[N]，通過對數(shù)組的管理，達(dá)到對硬盤的管理，就是先描述，再組織。
?? 文件系統(tǒng)
? ? ? ? 接下來，我們使用的是Linux中的ext2文件系統(tǒng)進(jìn)行講解。
??? 分區(qū)
?????????概念：分區(qū)是將硬盤空間劃分成獨(dú)立的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域可以被單獨(dú)管理和使用。
??? 分組
? ? ? ? 我們只要管理好一個(gè)分區(qū)，就能使用相同標(biāo)準(zhǔn)管理好所有分區(qū)，進(jìn)而管理好整個(gè)硬盤。
? ? ? ? 分完區(qū)后，還是太大，所以進(jìn)行分組，管理好一個(gè)組，就能管理好每個(gè)組，進(jìn)而管理好一個(gè)分區(qū)。這就是分支思想。
? ? ? ? 上圖是磁盤文件系統(tǒng)。磁盤是典型的塊設(shè)備，磁盤分區(qū)被劃分為一個(gè)個(gè)block，一個(gè)block的大小是有格式化確定的，并不可以修改。
? ? ? ? 這就引入了文件系統(tǒng)的概念，通過文件系統(tǒng)管理好分組，進(jìn)而管理好分區(qū)，從而管理好硬盤，每個(gè)分區(qū)有自己的文件系統(tǒng)，每個(gè)分區(qū)的文件系統(tǒng)可以不同。
? ? ? ? 此外，我們還需要知道，Linux中，文件的內(nèi)容和屬性分開存儲。
????????Data blocks （數(shù)據(jù)區(qū)）：存放文件內(nèi)容。也是占據(jù)區(qū)域最大的。
????????Block Bitmap（塊位圖）：記錄者Data Block 中哪個(gè)數(shù)據(jù)塊已經(jīng)被占用，哪個(gè)數(shù)據(jù)塊沒有被占用。比特位的位置，表示塊號，比特位的內(nèi)容，表示該塊是否被占用。
????????inode table （inode節(jié)點(diǎn)表）：Linux中文件屬性是一個(gè)大小固定的集合體，大小是128字節(jié)，inode內(nèi)部不包含文件名，并且1個(gè)文件對應(yīng)1個(gè)inode。所以在內(nèi)核里，不看文件名，只看inode號。
? ? ? ? Linux中，文件屬性是一個(gè)大小固定的集合體（128 B）。其中最重要的字段是inode_num,即inode號，此外data[N]數(shù)組里面元素存儲著存放內(nèi)容的塊的塊號（N一般是15），分為一級，二級，三級等直接和間接映射。
ls -li //查看文件的，并且能查看到inode
????????inode bitmap：比特位的位置表示第幾個(gè)inode，內(nèi)容表示該inode是否空閑可用。
????????GDT（塊組描述符）：塊描述符，描述塊組的信息。
? ? ? ? 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(gè)block和inode的大小，最近一次掛載的時(shí)間，最近一次寫入數(shù)據(jù)的 時(shí)間，最近一次檢驗(yàn)磁盤的時(shí)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(gè) 文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就被破壞了。super block 存放在多個(gè)block中（2~3個(gè)），但不是每個(gè)block中都有。
? ? ? ? 以上我們就對文件系統(tǒng)有了基本的概念，所以我么將硬盤分區(qū)后，分組并且寫入文件系統(tǒng)，這就是格式化。所以格式化的本質(zhì)，就是在硬盤中寫入文件系統(tǒng)。
??? inode號
?分配
? ? ? ? inode編號的分配是以分區(qū)為單位進(jìn)行分配。所以超級塊 和 GDT 記錄著每個(gè)分組的其實(shí)inode，結(jié)束inode，以此將inode分配個(gè)不同區(qū)域（分組）。inode bitmap 和 inode table是從0開始的，所以知道inode ，在 - 起始inode，就能對應(yīng)到inode bitmap和i節(jié)點(diǎn)表中對應(yīng)的下標(biāo)，找到對應(yīng)的文件屬性，進(jìn)而找到文件內(nèi)容。
? ? ? ? 所以不同分區(qū)可能有相同的inode，但1個(gè)分區(qū)內(nèi)不能有相同的inode。
? ? ? ? Dateblock也是同樣的原理，數(shù)據(jù)塊也是整體分配，也有statr塊號，end塊號，有對應(yīng)的塊號也能映射到對應(yīng)組的塊號里面。
? ? ? ? inode映射到對應(yīng)的組后，優(yōu)先使用當(dāng)前組的數(shù)據(jù)塊，除非文件非常大，否則不建議跨組訪問。但 inode 和 數(shù)據(jù)塊 是可以跨組訪問的。
? ? ? ? 總結(jié)，在分區(qū)內(nèi)知道了inode，就能確定在哪個(gè)分組，在組內(nèi)減起始inode，就能找到inode bitmap，檢測是否被用，再在i節(jié)點(diǎn)表中找到或存儲inode屬性，進(jìn)而在數(shù)據(jù)塊中找到對應(yīng)的文件內(nèi)容。
??? 逆向路徑解析
? ? ? ? 前文中，我們講解在內(nèi)核中，操作一個(gè)文件，使用的是文件的inode，但用戶使用的是文件名，所以文件名一定和inode存在映射關(guān)系。映射關(guān)系存儲在哪呢？
? ? ? ? 目錄，也是一個(gè)文件，文件內(nèi)容就是 文件名 和 inode的映射關(guān)系。所以有了目錄，就有了文件名和inode的映射關(guān)系。
? ? ? ? 但目錄也是一個(gè)文件呀，所以目錄也會(huì)查找自己的目錄，找到自己的inode號，一直找到根目錄為止，這就是所謂的逆向路徑解析。
目錄的r權(quán)限：是否允許度目錄內(nèi)容，即文件名:inode的映射關(guān)系，拿不到inode，就讀不了。
目錄的w權(quán)限：先當(dāng)前目錄寫文件名:inode的映射關(guān)系
? ? ? ? 逆向路徑解析是OS自己做的，根據(jù)文件路徑，找到文件inode，這也就是為什么要有路徑的原因了，也是為什么一個(gè)目錄下不能建立同名文件。
? ? ? ? 但是逆向路徑解析不是每一次都進(jìn)行的，Linux會(huì)緩存常用的路徑結(jié)構(gòu)。
分區(qū)掛載
? ? ? ? 之前，我們都是在一個(gè)分區(qū)內(nèi)知道了inode，但是我們?nèi)绾沃牢覀冊谀膫€(gè)分區(qū)呢？在Linux中，分區(qū)需要掛載到指定目錄，即將分區(qū)和目錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)入分區(qū)就是進(jìn)入目錄。
目錄作用
????????1. 確定在哪個(gè)分區(qū) ；
????????2. 文件名：inode的映射關(guān)系，找到指定文件的inode
? ? ? ? 那么目錄/路徑誰提供的呢？我 或者 進(jìn)程已經(jīng)提供了。即內(nèi)核文件系統(tǒng)提前寫入并組織好，然后我們提供的。
? ? ? ? 例如，打開一個(gè)文件open()，第一個(gè)參數(shù)需要你提供文件名，open早就提供了cwd(當(dāng)前路徑)，拼接上你的文件名，就能得到一個(gè)路徑，然后找到inode，進(jìn)而創(chuàng)建或讀寫文件內(nèi)容。
????????總結(jié)一下：文件的創(chuàng)建，會(huì)在目錄下創(chuàng)建，而路徑是由內(nèi)核文件系統(tǒng)提起寫入并組織好，我們提供文件名拼接形成。如進(jìn)程的cwd（存儲當(dāng)前路徑） + 文件名 ，從而在指定目錄下創(chuàng)建文件。再根據(jù)路徑的前綴確定在哪個(gè)分區(qū)，在指定分區(qū)下申請位圖，塊，屬性等資源，進(jìn)行文件操作。
?? 總結(jié)
? ? ? ? 以上，我們就對Linux中的文件系統(tǒng)做了詳解，開始，我們介紹了硬盤這一物理設(shè)備，介紹了它的物理結(jié)構(gòu)，存儲結(jié)構(gòu)以及OS如何管理硬盤，之后，我們講解什么OS如何通過文件系統(tǒng)管理好分組，進(jìn)而管理好分區(qū)，從而管理好整個(gè)硬盤。最后，講解了inode是如何來的，目錄和分區(qū)的關(guān)系，總結(jié)了如何創(chuàng)建，讀寫文件的。
? ? ? ? 以上，就是本期【Linux雜貨鋪】的主要內(nèi)容了，如果感覺本期內(nèi)容對你有幫助，歡迎點(diǎn)贊，收藏，關(guān)注 Thanks?(?ω?)?文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-851152.html
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