Linux文件系統結構

文件系統結構，理解文件系統，要從文件儲存說起。
硬盤結構：

互動：磁盤內部是真空的嗎？ 是：1 ，不是：2

磁盤內部不是真空，只不過里面的空氣很干凈。如果是真空，還不利于散熱
磁盤相關專業術語：
硬盤的內部是金屬盤片，將圓形的盤片劃分成若干個扇形區域，這就是扇區。若干個扇區就組成整個盤片。為什么要分扇區？是邏輯化數據的需要，能更好的管理硬盤空間。 以盤片中心為圓心，把盤片分成若干個同心圓，那每一個劃分圓的“線條”，就稱為磁道。
硬盤內的盤片有兩個面，都可以儲存數據，而硬盤內的盤片往往不止一張，常見的有兩張，那么，兩張盤片中相同位置的磁道，就組成一個“柱面”，盤片中有多少個磁道，就有多少個柱面。盤片兩面都能存數據，要讀取它，必須有磁頭，所以，每一個面，都有一個磁頭，一張盤片就有兩個磁頭。
硬盤的存儲容量=磁頭數×磁道（柱面）數×每道扇區數×每道扇區字節數。
磁道從外向內自0開始順序進行編號，各個磁道上的扇區數是在硬盤格式化時確定的。

文件儲存在硬盤上，硬盤的最小存儲單位叫做"扇區"（Sector）。每個扇區儲存512字節（相當于0.5KB）。
比較古老的CHS (Cylinder/Head/Sector ：磁頭(Heads)、柱面(Cylinder)、扇區(Sector)）結構體系. 因為很久以前，在硬盤的容量還非常小的時候，人們采用與軟盤類似的結構生產硬盤。也就是硬盤盤片的每一條磁道都具有相同的扇區數，由此產生了所謂的3D參數，即是磁頭數（Heads）、柱面數（Cylinders）、扇區數（Sectors）以及相應的3D尋址方式。

互動 ： 如上的磁盤結構有沒有問題？？？
這種結構有問題：
以前老式的磁盤，每個磁道的扇區都一樣，這樣外磁道整個弧長要大于內部的扇區弧長，因而其磁記錄密度就要比內部磁道的密度要小。最終，導致了外部磁道的空間浪費。

如查你磁盤設計工程師，你打算怎么解決？ 你選擇下面哪種方法？
方法1：每個磁道的寬度不一樣，從而讓每個扇區面積盡量一樣
方法2：不再一刀切，讓磁道中的扇區數量可以不一樣

現在硬盤都采用這種技術：ZBR（Zoned Bit Recording）區位記錄 （Zoned zōnd ）
Zoned-bit recording（ZBR 區位記錄）是一種物理優化硬盤存儲空間的方法，此方法通過將更多的扇區放到磁盤的外部磁道而獲取更多存儲空間。
ZBR磁盤扇區結構示意圖

互動: 從外面讀數據快？ 還是從里面快？ 里：1 外：2

使用ZBR 區位記錄法做的磁盤有以下特點：讀外圈的數據快，讀內圈的數據慢，所以測試硬盤經常看到讀取速度越來越慢的曲線圖就很正常了。

互動：windows安裝系統的C盤或Linux boot分區一般安裝在磁盤最外面還是最里面？
windows ： C盤安裝最外，速度也是最快
Linux ： boot分區和 swap分區，裝最外面
磁盤寫數據時，先從外面往里。

13.1.2 簇和block

簇類似于Linux系統中的block
例：在win10系統，新一個文本文件“新建文本文檔.txt”，只輸入aa兩個字符。

右擊屬性查看大小： 說明我的NTFS文件系統中默認的簇大小為4KB

[root@xuegod63 ~]# stat /etc/passwd #查看Linux block 大小
文件："/etc/passwd"
大小：2053 塊：8 IO 塊：4096 =4KB 普通文件

13.2 文件系統結構
Linux文件系統由三部分組成 ： 文件名，inode，block
Linux文件系統： ext3,ext4，xfs
windows文件系統： FAT32，NTFS
13.2.1 文件名：
[root@xuegod63 ~]# cp /etc/passwd a.txt
[root@xuegod63 ~]# ls a.txt # a.txt 就是文件名

13.2.2 inode的內容
inode包含文件的元信息，具體來說有以下內容：
　　 文件的字節數
　　 文件擁有者的User ID
　　 文件的Group ID
　　 文件的讀、寫、執行權限
　　 文件的時間戳，共有三個：ctime指inode上一次變動的時間，mtime指文件內容上一次變動的時間，atime指文件上一次打開的時間。
　　 鏈接數，即有多少文件名指向這個inode
　　* 文件數據block的位置

可以用stat命令，查看某個文件的inode信息：
[root@xuegod63 ~]# stat a.txt
File: ‘a.txt’
Size: 2053 Blocks: 8 IO Block: 4096 regular file
Device: 803h/2051d Inode: 18521833 Links: 1
Access: (0644/-rw-r--r--) Uid: ( 0/ root) Gid: ( 0/ root)Access最近訪問時間: 2018-05-16 14:55:36.061095050 +0800
Modify最近更改時間: 2018-05-16 14:55:36.062095050 +0800
Change最近改動時間: 2018-05-16 14:55:36.062095050 +0800
Birth創建時間: -
[root@xuegod63 ~]# ll /etc/passwd #ll 其實就是查看passwd的inode信息
-rw-r--r--. 1 root root 2053 Sep 19 2017 /etc/passwd #ll查看到時間是ctime時間

互動：
ctime是什么？ 是創建時間嗎？ 不會：1
mtime ： modify time 修改文件內容的時間
atime ： access time 訪問文件內容的時間
ctime指inode上一次文件屬性變動的時間，change time 。 比如： chmod +x a.sh
mtime指文件內容上一次變動的時間，modify time 。如：echo aa >> a.sh 或vim a.sh 修改內容
atime指文件上一次查看文件的時間，access time 。 如： cat a.sh
例2:測試mtime時間，***先修改時間，再植入***程序，防止 find / -mtime 查看***文件
[root@xuegod63 ~]# stat a.txt #查看時間
[root@xuegod63 ~]# date -s '13:42'
[root@xuegod63 ~]# vim a.txt #寫入aaaa，vim會修改mtime和atime時間
[root@xuegod63 ~]# stat a.txt #查看時間
[root@xuegod63 ~]# chmod +x a.txt #修改ctime，有時***忘記修改ctime時間了，所以你可以find / -ctime 查看***文件
[root@xuegod63 ~]# stat a.txt #查看時間
這個一招學到手：1

13.2.3 inode的大小
inode也會消耗硬盤空間，所以硬盤格式化的時候，操作系統自動將硬盤分成兩個區域。一個是數據區，存放文件數據；另一個是inode區（inode table），存放inode所包含的信息。
每個inode節點的大小，一般是128字節或256字節。inode節點的總數，在格式化時就給定，假定在一塊1GB的硬盤中，每個inode節點的大小為128字節，每1KB就設置一個inode，那么inode table的大小就會達到128MB，占整塊硬盤的12.8%。

inode號碼
每個inode都有一個號碼，操作系統用inode號碼來識別不同的文件。
Unix/Linux系統內部不使用文件名，而使用inode號碼來識別文件。對于系統來說，文件名只是inode號碼便于識別的別稱或者綽號。表面上，用戶通過文件名，打開文件。實際上，系統內部這個過程分成三步：首先，系統找到這個文件名對應的inode號碼；其次，通過inode號碼，獲取inode信息；最后，根據inode信息，找到文件數據所在的block，讀出數據。

例1： 使用ls -i命令，可以看到文件名對應的inode號碼
[root@xuegod63 ~]# ls -i a.txt
440269 a.txt
例2：查看每個硬盤分區的inode總數和已經使用的數量，可以使用df命令。
[root@localhost ~]# df -i
Filesystem Inodes IUsed IFree IUse% Mounted on
/dev/sda2 640848 151010 489838 24% /
tmpfs 145579 1 145578 1% /dev/shm
/dev/sda1 51200 38 51162 1% /boot
注：由于每個文件都必須有一個inode，因此有可能發生inode已經用光，但是硬盤還未存滿的情況。這時，就無法在硬盤上創建新文件。

13.2.4 目錄文件
Unix/Linux系統中，目錄（directory）也是一種文件。打開目錄，實際上就是打開目錄文件。
目錄文件的結構非常簡單，就是一系列目錄項的列表。每個目錄項，由兩部分組成：所包含文件的文件名，以及該文件名對應的inode號碼。
[root@xuegod63 ~]# ls -id /etc
8388673 /etc
例：ls -i命令列出整個目錄文件，即文件名和inode號碼：
[root@xuegod63 ~]# ls -i /etc

13.2.5 block塊大小
block 是真正存儲數據的地方。
block是 文件系統 中最小的存儲單位
扇區 是 磁盤 中最小的存儲單位

在linux下中叫：block，在windows中叫：簇

互動：為什么要有block，直接使用扇區可以嗎？

操作系統讀取硬盤的時候，不會一個個扇區（512字節）地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續讀取多個扇區，即一次性讀取一個"塊"（block）。這種由多個扇區組成的"塊"，是文件存取的最小單位。"塊"的大小，最常見的是1KB，即連2個 sector扇區組成一個 block。或4K。

情景： 如果沒有block？ 會怎么樣？
夜深人靜，下了3.6G cang.avi 的電影，一次讀512B ， 尋址次太多，太慢了。。。
結果。。。你懂得 。。。？
結果: avi看成了 jpg
例1：格式化修改磁盤，修改簇大小

實戰：簇和block大小設定
你喜歡大一些，還是小一些？

簇和block調大：
優點： 速度快，節約尋址時間，缺點：空間浪費
比如： 2T硬盤, 前1.5Ｔ，使用4K， 把剩下的500G格式化成64K簇。用空間換時間

例2：查看Linux系統塊大小
[root@xuegod63 ~]# stat /etc/passwd | grep IO
大小：2053 塊：8 IO 塊：4096 普通文件
#block到是4K
總結：
硬盤的結構：ZBR 區位記錄
inode（inode表中主要看inode號）
inode號唯一標識一個文件（一個文件系統里面）
inode用完了，文件就不能創建了。
inode數據量設置大一些：可以創建多個文件。占用空間比較大
inode數據量設置小一些：可以創建很少文件。占用空間比較小

block
block設置大：效率高，利用率低。
block設置小：效率低，利用率高。

13.3 文件的硬鏈接和軟鏈接
13.3.1 Linux鏈接概念
Linux鏈接分兩種，一種被稱為硬鏈接（Hard Link），另一種被稱為軟鏈接，即符號鏈接（Symbolic Link）。默認情況下，ln命令產生硬鏈接。
【硬連接】：硬連接指通過索引節點號來進行連接。inode是可以對應多個文件名的
在Linux的文件系統中，保存在磁盤分區中的文件不管是什么類型都給它分配一個編號，稱為索引節點號(Inode Index)。
在Linux中，多個文件名可以指向同一索引節點。一般這種連接就是硬連接。
硬連接的作用是允許一個文件擁有多個有效路徑名，這樣用戶就可以建立硬連接到重要文件，以防止“誤刪”的功能。
只刪除一個連接并不影響索引節點本身和其它的連接，只有當最后一個連接被刪除后，文件的數據塊及目錄的連接才會被釋放。也就是說，文件真正刪除的條件是與之相關的所有硬連接文件均被刪除。
【軟連接】：另外一種連接稱之為符號連接（Symbolic Link），也叫軟連接。軟鏈接文件有類似于Windows的快捷方式。它實際上是一個特殊的文件。在符號連接中，文件實際上是一個文本文件，其中包含的有另一文件的位置信息

13.3.2 實戰-1: ln命令創建硬鏈接
語法格式：ln 源文件 目標文件
[root@xuegod63 ~]# echo 1111 > a.txt

硬鏈接的原理就是多個文件名指向同一個inode，因此多個文件名共用一個inode號，達到共享與備份的目的
注意：源文件被刪除，不影響鏈接文件的正常使用

硬鏈接不能針對目錄創建

硬鏈接不能跨分區進行創建

硬鏈接的特點: 無法針對目錄,跨分區無法實現。因為每個分區都有自己獨立的INDOE編號
互動：為什么剛創建的一個目錄，鏈接數就是2？
[root@xuegod63 ~]# mkdir test
[root@xuegod63 ~]# ll -d test/
drwxr-xr-x 2 root root 6 5月 16 15:55 test/
默認新一個空目錄，此目錄的第二字段就是2（包含兩個隱藏目錄，因為每一個目錄都有一個指向它本身的子目錄"." 和指向它上級目錄的子目錄".."），所以test是一個鏈接， 隱藏目錄. 是第二個鏈接
[root@xuegod63 ~]# ll -id test/ #兩個inode號是一樣的
2453723 drwxr-xr-x 2 root root 6 5月 16 15:55 test/
[root@xuegod63 ~]# ll -id test/.
2453723 drwxr-xr-x 2 root root 6 5月 16 15:55 test/.

13.3.3 ln -s 創建軟連接
軟鏈接：相當于windows中的快捷方式
語法：ln -s 源文件 軟鏈接的名字
例：
[root@xuegod63 ~]# cp /etc/passwd a.txt
[root@xuegod63 ~]# ln -s a.txt a-link.txt
[root@xuegod63 ~]# ll a-link.txt
lrwxrwxrwx 1 root root 5 5月 16 16:10 a-link.txt -> a.txt
[root@xuegod63 ~]# rm -rf a.txt
[root@xuegod63 ~]# ll a-link.txt
lrwxrwxrwx 1 root root 5 5月 16 16:10 a-link.txt -> a.txt

注：源文件被刪除，鏈接文件失效

例2：能針對目錄和跨分區創建軟鏈接
[root@xuegod63 ~]# ln -s /boot/grub grub-link

總結：
13.1 硬盤結構
13.2 文件系統結構
13.2 硬鏈接和軟鏈接
13.4 實戰：解決磁盤有空間但創建不了文件-修復服務器文件系統