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Linux是一個開源的操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。Linux文件系統(tǒng)是其中一個重要的組成部分，它的實現(xiàn)原理影響著Linux系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。本文將介紹Linux文件系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，并介紹一個簡單的實驗，幫助讀者深入理解文件系統(tǒng)的工作方式。
一、Linux文件系統(tǒng)概述
Linux文件系統(tǒng)是指在Linux操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)存儲和管理文件的一組軟件程序和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在Linux系統(tǒng)中，文件系統(tǒng)使用一種樹形結(jié)構(gòu)來組織文件和目錄，這個樹形結(jié)構(gòu)稱為目錄樹。目錄樹的頂層是根目錄，其他目錄和文件都存放在根目錄下或者它的子目錄里。
文件系統(tǒng)的實現(xiàn)原理是在一個物理設(shè)備（通常是硬盤）上劃分一塊空間，然后在這個空間上創(chuàng)建一個或多個文件系統(tǒng)，每個文件系統(tǒng)對應(yīng)著一個根目錄。文件系統(tǒng)中包含多個文件和目錄，它們以一定的方式存儲在設(shè)備上。當(dāng)我們打開一個文件或者創(chuàng)建一個新文件時，文件系統(tǒng)會將文件所在的數(shù)據(jù)塊讀入內(nèi)存，我們在內(nèi)存中編輯或讀取文件，當(dāng)我們關(guān)閉文件或者保存文件時，數(shù)據(jù)塊會被寫回到設(shè)備上。
二、linux文件系統(tǒng)實驗原理
在Linux系統(tǒng)中，每個設(shè)備都有一個設(shè)備文件，例如硬盤的設(shè)備文件是/dev/hda，其中hda表示硬盤的之一塊物理分區(qū)。我們可以通過在設(shè)備文件上創(chuàng)建一個文件系統(tǒng)，實現(xiàn)在硬盤上創(chuàng)建并管理文件的目的。下面介紹一個簡易的Linux文件系統(tǒng)實驗，幫助讀者了解文件系統(tǒng)的實現(xiàn)原理。
1. 準(zhǔn)備工作
我們需要一個空白的硬盤分區(qū)，可以使用如下命令查看硬盤的分區(qū)情況：
fdisk -l
然后選擇一個空白的分區(qū)（例如/dev/hda2），用如下命令格式化分區(qū)并創(chuàng)建文件系統(tǒng)：
mkfs.ext2 /dev/hda2
2. 掛載分區(qū)
接下來，我們需要在Linux系統(tǒng)中掛載分區(qū)，使得文件系統(tǒng)可以訪問。我們可以使用如下命令創(chuàng)建一個掛載點：
mkdir /mnt/myfs
然后，可以使用如下命令將分區(qū)掛載到該掛載點上：
mount /dev/hda2 /mnt/myfs
3. 測試文件系統(tǒng)
我們可以使用如下命令測試文件系統(tǒng)：
cd /mnt/myfs
touch myfile.txt
echo “Hello World” > myfile.txt
cat myfile.txt
這些命令完成了以下操作：
– 進(jìn)入文件系統(tǒng)的根目錄。
– 創(chuàng)建了一個名為myfile.txt的文件。
– 將字符串“Hello World”寫入myfile.txt文件。
– 用cat命令讀取myfile.txt文件并在屏幕上顯示。
通過測試命令，我們可以看到在/mnt/myfs目錄下創(chuàng)建了一個名為myfile.txt的文件，文件內(nèi)容是字符串“Hello World”。
4. 卸載文件系統(tǒng)
當(dāng)我們不再需要使用文件系統(tǒng)時，我們需要卸載文件系統(tǒng)，以便安全地卸載硬盤分區(qū)。我們可以使用如下命令卸載文件系統(tǒng)：
umount /mnt/myfs
這個命令會將/mnt/myfs目錄下的文件系統(tǒng)從/dev/hda2設(shè)備上卸載。
三、結(jié)論
Linux文件系統(tǒng)是一個重要的組成部分，它存儲和管理著Linux系統(tǒng)中的文件和目錄。本文介紹了Linux文件系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，并通過一個簡單的實驗幫助讀者加深對文件系統(tǒng)工作方式的理解。我們了解到，文件系統(tǒng)的實現(xiàn)原理是在一個物理設(shè)備上劃分出一塊空間，并在空間上創(chuàng)建一個或多個文件系統(tǒng)，每個文件系統(tǒng)對應(yīng)一個根目錄。當(dāng)我們打開、讀取、保存或關(guān)閉文件時，文件系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)塊讀入內(nèi)存，我們在內(nèi)存中編輯文件，數(shù)據(jù)塊會被寫回到設(shè)備上。通過這篇文章，讀者可以更好地理解Linux文件系統(tǒng)的工作原理。
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Linux之所以能在嵌人式系統(tǒng)領(lǐng)域取得如此輝煌的成績，與其自身的優(yōu)良特性是分不開的。與其他操作系統(tǒng)相比，Linux具有以下一系列顯著的特點。
1．模塊化程度高
Linux的內(nèi)核設(shè)計非常精巧，分成進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、進(jìn)程間通信、虛擬
文件系統(tǒng)
和網(wǎng)絡(luò)接口五大部分；其獨特的模塊機制可根據(jù)用戶的需要，實時地將某些模塊插入或從內(nèi)核中移走，使得Linux系統(tǒng)內(nèi)核可以裁剪得非常小巧，很適合于
嵌入式系統(tǒng)
的需要。
2．源碼公開
由于Linux系統(tǒng)的開發(fā)從一開始就與GNU項目緊密地結(jié)合起來，所納歷以它的大多數(shù)組成部分都直接來自GNU項目。任何人、任何組織只要遵守GPL條款，就可以自由使用Linux
源代碼
，為用戶提供了更大限度的
自由度
。這一點也正投嵌入式系統(tǒng)所好，因為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用千差萬別，設(shè)計者往往需要針對具體的應(yīng)用對源碼進(jìn)行修改和優(yōu)化，所以是否能獲得源代碼 對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)是至關(guān)重要的。加之Linux的軟件資源十分豐富，每種通用程序在Linux上幾乎都可以找到，并且數(shù)量還在不斷增加。這一切就使設(shè)計者在其基礎(chǔ)之上進(jìn)行二次開發(fā)變得非常容易。另外，由于Linux源代碼公開，也使用戶不用擔(dān)心有“后閘”等
安全隱患
。
同時，源碼開放給各教育機構(gòu)提供極大的方便，從而也促進(jìn)了Linux的學(xué)習(xí)、推廣和應(yīng)用。
3．廣泛的硬件支持
Linux能支持x86、ARM、MIPS、ALPHA和PowerPC等多種體系結(jié)構(gòu)的洞備搜
微處理器
。目前已成功地移植到數(shù)十種硬件平臺，幾乎能運行在所有流行的處理器上。
由于世界范圍內(nèi)有眾多開發(fā)者在為Linux的擴(kuò)充貢獻(xiàn)力量，所以Linux有著異常豐富的
驅(qū)動程序
資源，支持各種主流硬件設(shè)各和最新的硬件技術(shù)，甚至可在沒有存儲管理單元MMU 的處理器上運行，這滾讓些都進(jìn)一步促進(jìn)了Linux在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。
4．安全性及可靠性好
內(nèi)核高效穩(wěn)定。
Linux內(nèi)核
的高效和穩(wěn)定已在各個領(lǐng)域內(nèi)得到了大量事實的驗證。
Linux中大量網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等方面的功能，可使用戶很方便地建立高效穩(wěn)定的防火墻、路由器、工作站、服務(wù)器等。為提高安全性，它還提供了大量的網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)分析軟件和網(wǎng)絡(luò)安全軟件等。
5．具有優(yōu)秀的開發(fā)工具
開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵是需要有一套完善的開發(fā)和調(diào)試工具。傳統(tǒng)的
嵌入式開發(fā)
調(diào)試工具是在線仿真器（In Circuit Emulator，ICE），它通過取代目標(biāo)板的微處理器，給目標(biāo)程序提供一個完整的仿真環(huán)境，從而使開發(fā)者能非常清楚地了解到程序在目標(biāo)板上的工作狀態(tài)，便于監(jiān)視和調(diào)試程序。在線仿真器的價格非常高，而且只適合做非常底層的調(diào)試。如果使用的是嵌人式Linux，一旦軟硬件能支持正常的串口功能，即使不用在線仿真器，也可以很好地進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試工作，從而節(jié)省了一筆不小的開發(fā)費用。嵌入式Linux為開發(fā)者提供了一套完整的工具鏈（Tool Chain），能夠很方便地實現(xiàn)從操作系統(tǒng)到應(yīng)用軟件各個級別的調(diào)試。
6．有很好的網(wǎng)絡(luò)支持利文件系統(tǒng)支持
Linux從誕生之日起就與Internet密不可分，支持各種標(biāo)準(zhǔn)的Internet
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
，并且很容易移植到嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中。目前，Linux幾乎支持所有主流的網(wǎng)絡(luò)硬件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件系統(tǒng)，因此它是NFS的一個很好的平臺。
另一方面，由于Linux有很好的文件系統(tǒng)支持（例如，它支持Ext2、FAT32、romfs等文件系統(tǒng)），是數(shù)據(jù)各份、同步和復(fù)制的良好平臺，這些都為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。
7．與UNIX完全兼容
目前，在Linux中所包含的工具和實用程序，可以完成UNIX的所有主要功能。
但由于Linux不是為實時而設(shè)計的，因而這就成了Linux在實時系統(tǒng)中應(yīng)用的更大遺憾。不過，目前有眾多的自由軟件愛好者正在為此進(jìn)行不懈的努力，也取得了諸多成果
類似于 Windows下的C、D、E等各個盤，Linux系統(tǒng)也可以將磁盤、Flash等存儲設(shè)備劃分為若干個分區(qū)，在不同分區(qū)存放不同類別的文件。與Windows的C盤類似，Linux一樣要在一個分區(qū)上存放系統(tǒng)啟動所必需的文件，比如內(nèi)核映象文件（在嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)核一般單獨存放在一個分區(qū)中)內(nèi)核啟動后運行的之一-個程序( init)給用戶提供操作界面的 shell程序、應(yīng)用程序所依賴的庫等。這些必需、基本的文件早氏合稱為根文件系統(tǒng)，它們存放在一個分區(qū)中。Linux 系統(tǒng)啟動后首先掛接這個分區(qū)，稱為掛接( mount）根文件系統(tǒng)。其他分梁睜數(shù)區(qū)上所有目錄、文件的，也稱為文件系統(tǒng)。Linux 中并沒有C、D、E等盤符的概念，它以樹狀結(jié)構(gòu)管理所有目錄、文件，其他分區(qū)掛接在某個目錄上，這個目錄被稱為掛接點或安裝點(mount point)，然后就可以通過這個目錄來訪問這個分區(qū)上的文件了。比如根文件系統(tǒng)被掛接在根目錄“I”上后，在根目錄下就有根文件系統(tǒng)的各個目錄、文件:/bin、/in、/mnt等;再將其他分區(qū)掛接到/mnt目錄上，/mnt目錄下就有這個分區(qū).的各個目錄、文件。在一個分區(qū)上存儲文件時，需要遵循一定的格式，這種格式稱為文橡首件系統(tǒng)類型，比如fat16、fat32、ntfs、ext2、ext3、jffs2、yaffs 等。除這些擁有實實在在的存儲分區(qū)的文件系統(tǒng)類型外，Linux還有幾種虛擬的文件系統(tǒng)類型，比如proc、sysfs 等，它們的文件并不存儲在實際的設(shè)備上，而是在訪問它們時由內(nèi)核臨時生成。比如 proc文件系統(tǒng)下的uptime文件，讀取它時可以得到兩個時間值（用來表示系統(tǒng)啟動后運行的秒數(shù)、空閑的秒數(shù))，每次讀取時都由內(nèi)核即刻生成，每次讀取結(jié)果都不一樣。“文件系統(tǒng)類型”常被簡稱為“文件系統(tǒng)”,比如“硬盤第二個分區(qū)上的文件系統(tǒng)是EXT2”指的就是文件系統(tǒng)類型。所以“文件系統(tǒng)”這個術(shù)語，有時候指的是分區(qū)上的文件，有時候指的是文件系統(tǒng)類型，需要根據(jù)語境分辨，在閱讀各類文獻(xiàn)時需要注意這點。
第9章 Linux文件系統(tǒng)知識與格式化應(yīng)用實踐… 1
9.1 Linux文件系統(tǒng)介紹… 2
9.1.1文件系統(tǒng)知識預(yù)備… 2
9.1.2什么是文件系統(tǒng)？… 3
9.1.3文件系統(tǒng)有什么用？… 3
9.1.4 常見文件系統(tǒng)類型介紹… 3
9.1.5文件系統(tǒng)的深入體系結(jié)構(gòu)介紹… 9
9.1.6操作系統(tǒng)默認(rèn)文件系統(tǒng)及簡單對比… 11
9.1.7文件系統(tǒng)選型簡單介紹… 12
9.2 mkfs：創(chuàng)建Linux文件系統(tǒng)核心命令… 13
9.2.1 命令詳解… 13
9.2.2 使用范例… 14
9.3 Ext2文件系統(tǒng)介紹… 16
9.3.1 ext2文件系統(tǒng)介紹… 16
9.3.2 ext2文件系統(tǒng)知識回顧… 16
9.3.3什么是inode？… 18
9.3.4什么是邏輯塊(Block)？… 21
9.4文件系統(tǒng)的磁盤布局… 22
9.4.1磁盤文件系統(tǒng)概述… 22
9.4.2 ext2文件系統(tǒng)總體存儲布局… 23
9.3.1文件系統(tǒng)新增文件操作流程… 36
9.3.2文件系統(tǒng)刪除原理… 37
9.1 Linux文件系統(tǒng)介紹
9.1.1文件系統(tǒng)知識預(yù)備
分區(qū)與文件系統(tǒng)的關(guān)系比喻：分區(qū)就是給房子打隔斷，創(chuàng)建文件系統(tǒng)就是給房子裝修！
根據(jù)前面課程的講解，以及大家日常對Linux系統(tǒng)的操作，我們很容易理解，當(dāng)通過fdisk命令對一個磁盤進(jìn)行分區(qū)后，并不能直接掛載目錄存放數(shù)據(jù)實體，還需要格式化操作，才可以進(jìn)行掛載并存放數(shù)據(jù)。這談轎里實踐下，將一個未進(jìn)行格式化的分區(qū)sdb1直接掛載。
# mount /dev/sdb1 /mnt
mount: you must specify the filesystem type #
# mount /dev/sdb1 /mnt
mount: /dev/sdb3 is write-protected, mounting read-only #
mount: unknown filesystem type ‘(null)’
為什么磁盤分區(qū)后需要格式化呢？這是因為磁盤分區(qū)在沒有格式化前，操作系統(tǒng)是無法識別系統(tǒng)上磁盤分區(qū)格式的，也就無法存取文件目錄屬性和權(quán)限等內(nèi)容，把分區(qū)格式化成操作系統(tǒng)支持的某個文件系統(tǒng)后，再存放數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會根據(jù)這個文件系統(tǒng)的格式進(jìn)行存取文件了。
9.1.2什么是文件系統(tǒng)？
簡單地說，文件系統(tǒng)就是一種存儲和組織計算機中數(shù)據(jù)文件的機制或方法，它使得對計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)的存儲、訪問和查找變得更容易、簡單含慎肆。如ext2、ext3(CentOS5.x)、ext4(CentOS6.x)、xfs(CentOS7.x)、zfs和Reiserfs或FAT、NTFS等都是常見文件系統(tǒng)。
文件系統(tǒng)也可能是一種訪問數(shù)據(jù)的服務(wù)形式，實際的數(shù)據(jù)是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如NFS、MFS等）提供的或者系統(tǒng)內(nèi)存里，甚至可能根本沒有對應(yīng)的文件（如proc文件系統(tǒng)）。
因此，如果嚴(yán)格地說，文件系統(tǒng)是一套實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲、分級組織、訪問和獲取等操作的抽象數(shù)據(jù)類型，而文件系統(tǒng)落到計算機里其實就是一個應(yīng)用軟件。
9.1.3文件系統(tǒng)有什么用？
文件系統(tǒng)使用文件和樹形目錄的抽象邏輯概念代替了磁盤等物理設(shè)備使用數(shù)據(jù)塊的概念，用戶使用文件系統(tǒng)來存放數(shù)據(jù)，而不必關(guān)心數(shù)據(jù)實際保存在硬盤（或者光盤）的地址為多少的inode和block上，只需要記住這個文件的所屬目錄和文件名就好了。
在向磁盤分區(qū)寫入新數(shù)據(jù)之前，用戶不必關(guān)心硬盤上的哪個索引節(jié)點和塊地址有沒有被使用，硬盤上的存儲空間管理（分配和釋放）功能都是由文件系統(tǒng)自動幫用戶完成的，用戶只需要記住數(shù)據(jù)被寫入到了哪個文件中或文件放于哪個目錄中即可。
在磁盤實際工作場景，即使給磁盤分區(qū)了，但如果沒有在磁盤格式化創(chuàng)建文件系統(tǒng)，那么磁盤是無法存儲數(shù)據(jù)的。因此，在磁盤分區(qū)后能夠使用之前必須要格孝悄式化成相應(yīng)的文件系統(tǒng)才行。
9.1.4 常見文件系統(tǒng)類型介紹
隨著Linux系統(tǒng)的不斷發(fā)展，它所支持的文件系統(tǒng)格式也在迅速增多，當(dāng)今的Linux系統(tǒng)核心可以支持多種文件系統(tǒng)類型：如Btrfs、JFS、ReiserFS、ext、ext2、ext3、ext4、ISO9660、XFS、Minx、MSDOS、UMSDOS、VFAT、NTFS、HPFS、NFS、B、SysV、PROC等還有一種文件系統(tǒng)是Filesystem in Userspace（FUSE）。它可以將文件系統(tǒng)的請求通過VFS虛擬文件系統(tǒng)發(fā)送回用戶空間。很多分布式文件系統(tǒng)例如：MFS就支持FUSE掛載的方式。。下表是一些常見文件類型的全稱、簡稱和基本用途對應(yīng)：
Linux支持的每個文件系統(tǒng)都有自己的優(yōu)缺點和性能特征。文件系統(tǒng)的一個重要屬性是日志功能，它允許系統(tǒng)在崩潰后更快地恢復(fù)。通常，日志文件系統(tǒng)比非日志文件系統(tǒng)在數(shù)據(jù)保護(hù)方面會更好一些。
1.ext2 文件系統(tǒng)
也稱為第二擴(kuò)展文件系統(tǒng)（英語：second extended filesystem，縮寫為 ext2），目的是克服早期 Linux 版本中使用的Minix文件系統(tǒng)的缺點。多年來，該文件系統(tǒng)一直廣泛應(yīng)用于Linux。但 ext2 中沒有日志，現(xiàn)在基本上已被ext3（Centos5.x默認(rèn)的文件系統(tǒng)）取代，ext3文件系統(tǒng)也正逐漸被ext4取代（Centos6.x默認(rèn)的文件系統(tǒng)）。
ext2開始由Rémy Card設(shè)計，用以代替ext，于1993年1月加入linux核心支持之中。ext2的經(jīng)典實現(xiàn)為LINUX內(nèi)核中的ext2fs文件系統(tǒng)驅(qū)動，更大可支持2TB的文件系統(tǒng)，至linux核心2.6版時，擴(kuò)展到可支持32TB。其他的實現(xiàn)包括GNU Hurd, Mac OS X (第3方), Darwin (第3方), BSD。ext2為數(shù)個LINUX發(fā)行版的默認(rèn)文件系統(tǒng)，如Debian、Red Hat Linux、Centos等。
2.ext3 文件系統(tǒng)
為了避免上述提到的ext2文件系統(tǒng)不一致的情況發(fā)生，人們想到了一個方式， 在filesystem當(dāng)中規(guī)劃出一個區(qū)塊，該區(qū)塊專門記錄寫入或修訂文件時的步驟， 就可以簡化一致性檢查的步驟了。也就是說：
1）預(yù)備：當(dāng)系統(tǒng)要寫入一個文件時，會先在日志記錄區(qū)塊中記錄某個文件準(zhǔn)備要寫入的信息；
2） 實際寫入：開始寫入檔案的權(quán)限與數(shù)據(jù)；開始更新metadata的數(shù)據(jù)；
3）結(jié)束：完成數(shù)據(jù)與metadata的更新后，在日志記錄區(qū)塊當(dāng)中完成該檔案的記錄。
在這樣的程序當(dāng)中，萬一數(shù)據(jù)的記錄過程當(dāng)中収發(fā)生了問題，那么我們的系統(tǒng)只要去檢查日志記錄區(qū)塊， 就可以知道那個文件發(fā)生了問題，針對該問題來做一致性的檢查即可，而不必針對整塊 filesystem 去檢查， 這樣就可以達(dá)到快速修復(fù)filesystem的能力了！這就是日志式文件系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能。
Ext3就是日志文件系統(tǒng)，Ext3是Ext2的升級版本，并且可以向下兼容Ext2。目前建議大家直接使用Ext3這個文件系統(tǒng)。
ext3文件系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)ext2文件系統(tǒng)添加了日志功能，因此是一個非常穩(wěn)定的文件系統(tǒng)的一個演化發(fā)展。它在大多數(shù)情況下提供合理的性能并且仍舊在改進(jìn)。由于它在可靠的 ext2文件系統(tǒng)之上添加了日志功能，因此可以將現(xiàn)有ext2文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為ext3文件系統(tǒng)，并且在必要時還可以轉(zhuǎn)換回來。ext3 文件系統(tǒng)是一個成熟的文件系統(tǒng)，用作Redhat/Centos發(fā)行版上的默認(rèn)文件系統(tǒng)。
3.ext4文件系統(tǒng)
Linux kernel 自 2.6.28 開始正式支持新的文件系統(tǒng) Ext4。 Ext4 是 Ext3 的改進(jìn)版，修改了 Ext3 中部分重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不僅僅像 Ext3 對 Ext2 那樣，只是增加了一個日志功能而已。Ext4 可以提供更佳的性能和可靠性，還有更為豐富的功能：
1）與 Ext3 兼容。 執(zhí)行若干條命令，就能從 Ext3 在線遷移到 Ext4，而無須重新格式化磁盤或重新安裝系統(tǒng)。原有Ext3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)照樣保留，Ext4 作用于新數(shù)據(jù)，當(dāng)然，整個文件系統(tǒng)因此也就獲得了Ext4所支持的更大容量。
2） 更大的文件系統(tǒng)和更大的文件。 較之Ext3目前所支持的更大16TB文件系統(tǒng)和更大2TB文件，Ext4 分別支持1EB（1,048,576TB， 1EB=1024PB， 1PB=1024TB）的文件系統(tǒng)，以及16TB的文件。
3） 無限數(shù)量的子目錄。 Ext3 目前只支持 32,000 個子目錄，而 Ext4 支持無限數(shù)量的子目錄。
4） Extents。 Ext3 采用間接塊映射，當(dāng)操作大文件時，效率低下。比如一個100MB 大小的文件，在 Ext3 中要建立 25,600 個數(shù)據(jù)塊（每個數(shù)據(jù)塊大小為4KB）的映射表。而 Ext4 引入了現(xiàn)代文件系統(tǒng)中流行的extents概念，每個extent 為一組連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，上述文件則表示為“該文件數(shù)據(jù)保存在接下來的25,600個數(shù)據(jù)塊中”，提高了不少效率。
5） 多塊分配。 當(dāng)寫入數(shù)據(jù)到Ext3文件系統(tǒng)中時，Ext3的數(shù)據(jù)塊分配器每次只能分配一個 4KB的塊，寫一個100MB 文件就要調(diào)用25,600次數(shù)據(jù)塊分配器，而Ext4的多塊分配器“multiblock allocator”（mballoc） 支持一次調(diào)用分配多個數(shù)據(jù)塊。
6） 延遲分配。 Ext3的數(shù)據(jù)塊分配策略是盡快分配，而Ext4和其它現(xiàn)代文件操作系統(tǒng)的策略是盡可能地延遲分配，直到文件在cache中寫完才開始分配數(shù)據(jù)塊并寫入磁盤，這樣就能優(yōu)化整個文件的數(shù)據(jù)塊分配，與前兩種特性搭配起來可以顯著提升性能。
7） 快速fsck。 以前執(zhí)行fsck之一步就會很慢，因為它要檢查所有的inode，現(xiàn)在Ext4給每個組的inode表中都添加了一份未使用inode的列表，今后fsck Ext4 文件系統(tǒng)就可以跳過它們而只去檢查那些在用的inode了。
8） 日志校驗。 日志是最常用的部分，也極易導(dǎo)致磁盤硬件故障，而從損壞的日志中恢復(fù)數(shù)據(jù)會導(dǎo)致更多的數(shù)據(jù)損壞。Ext4 的日志校驗功能可以很方便地判斷日志數(shù)據(jù)是否損壞，而且它將Ext3的兩階段日志機制合并成一個階段，在增加安全性的同時提高了性能。
9） “無日志”（No Journaling）模式。 日志總歸有一些開銷，Ext4允許關(guān)閉日志，以便某些有特殊需求的用戶可以借此提升性能。
10） 在線碎片整理。 盡管延遲分配、多塊分配和extents能有效減少文件系統(tǒng)碎片，但碎片還是不可避免會產(chǎn)生。Ext4支持在線碎片整理，并將提供e4defrag工具進(jìn)行個別文件或整個文件系統(tǒng)的碎片整理。
inode相關(guān)特性。 Ext4支持更大的inode，較之Ext3 默認(rèn)的inode 大小 128 字節(jié)，Ext4 為了在inode中容納更多的擴(kuò)展屬性（如納秒時間戳或inode版本），默認(rèn)inode大小為256字節(jié)。Ext4 還支持快速擴(kuò)展屬性（fast extended attributes）和inode保留（inodes reservation）。
12） 持久預(yù)分配（Persistent preallocation）。 P2P 軟件為了保證下載文件有足夠的空間存放，常常會預(yù)先創(chuàng)建一個與所下載文件大小相同的空文件，以免未來的數(shù)小時或數(shù)天之內(nèi)磁盤空間不足導(dǎo)致下載失敗。 Ext4在文件系統(tǒng)層面實現(xiàn)了持久預(yù)分配并提供相應(yīng)的API（libc 中的 posix_fallocate()），比應(yīng)用軟件自己實現(xiàn)更有效率。
13） 默認(rèn)啟用barrier。 磁盤上配有內(nèi)部緩存，以便重新調(diào)整批量數(shù)據(jù)的寫操作順序，優(yōu)化寫入性能，因此文件系統(tǒng)必須在日志數(shù)據(jù)寫入磁盤之后才能寫commit記錄，若commit記錄寫入在先，而日志有可能損壞，那么就會影響數(shù)據(jù)完整性。Ext4 默認(rèn)啟用barrier，只有當(dāng)barrier之前的數(shù)據(jù)全部寫入磁盤，才能寫barrier之后的數(shù)據(jù)。（可通過 “mount -o barrier=0” 命令禁用該特性。）
4.ReiserFS 文件系統(tǒng)
ReiserFS是一個基于B狀樹的文件系統(tǒng)，擁有非常好的總體性能，特別是對于大量小文件。ReiserFS 擁有良好的伸縮性并具有日志功能。但該文件系統(tǒng)不再受到積極開發(fā)，不支持SELinux，基本上已被 Reiser4 取代。ReiserFS文件系統(tǒng)多年來一直用作一些發(fā)行版（包括SUSE）的默認(rèn)文件系統(tǒng)，但現(xiàn)在用得少了。
5.XFS文件系統(tǒng)
XFS文件系統(tǒng)擁有日志功能，包含一些健壯的特性，并針對可伸縮性進(jìn)行了優(yōu)化。XFS在RAM中強制緩存中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，因此如果使用 XFS，建議采用不間斷電源供應(yīng)。淘寶的數(shù)據(jù)庫在使用此文件系統(tǒng)。
XFS 最初是由 Silicon Graphics，Inc. 于90年代初開發(fā)的。那時，SGI發(fā)現(xiàn)他們的現(xiàn)有文件系統(tǒng)（existing filesystem，EFS）正在迅速變得不適應(yīng)當(dāng)時激烈的計算競爭。為解決這個問題，SGI 決定設(shè)計一種全新的高性能64位文件系統(tǒng)，而不是試圖調(diào)整EFS在先天設(shè)計上的某些缺陷。因此，XFS 誕生了，并于 1994 年隨 IRIX 5.3 的發(fā)布而應(yīng)用于計算。它至今仍作為 SGI 基于 IRIX 的產(chǎn)品（從工作站到超級計算機）的底層文件系統(tǒng)來使用?，F(xiàn)在，XFS 也可以用于 Linux。XFS的Linux 版的到來是激動人心的，首先因為它為 Linux 社區(qū)提供了一種健壯的、優(yōu)秀的以及功能豐富的文件系統(tǒng)，并且這種文件系統(tǒng)所具有的可伸縮性能夠滿足最苛刻的存儲需求。
6.vfat 文件系統(tǒng)
vfat 文件系統(tǒng)（也稱為 FAT32）沒有日志功能，且缺乏完整的 Linux 文件系統(tǒng)實現(xiàn)所需的許多特性。它可用于在 Windows 和 Linux 系統(tǒng)之間交換數(shù)據(jù)，因為 Windows 和 Linux 都能讀取它。不要將這個文件系統(tǒng)用于 Linux，除非要在 Windows 和 Linux 之間共享數(shù)據(jù)。如果您在一個 vfat 磁盤上解壓縮一個 Linux 歸檔文件，那么您將丟失權(quán)限（比如執(zhí)行權(quán)限），還會丟失該歸檔文件中可能存儲的符號鏈接。
7.VFS虛擬文件系統(tǒng)
虛擬文件系統(tǒng)VFS也稱為虛擬文件系統(tǒng)開關(guān)(Virtual filesystem Switch)，它是內(nèi)核的一個子系統(tǒng)，提供了一個通用文件系統(tǒng)模型，該模型囊括了所能見到的文件系統(tǒng)常用功能和行為，并為應(yīng)用程序提供一致性的文件系統(tǒng)接口，安裝的所有物理文件系統(tǒng)不但依賴于VFS共存，而且也依靠VFS協(xié)同工作。它的主要設(shè)計思想有以下3點：
(1)應(yīng)用層：VFS模型源于UNIX文件系統(tǒng)，使得用戶可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)UNIX文件系統(tǒng)調(diào)用來操作文件，無需考慮具體文件系統(tǒng)特性和物理存儲介質(zhì)，通過VFS訪問文件系統(tǒng)，才使得不同文件系統(tǒng)之間的協(xié)作性和通用性成為可能。
(2)虛擬層：在對所有具體文件系統(tǒng)的共同特性進(jìn)行抽象的基礎(chǔ)上，形成一個與具體文件系統(tǒng)實現(xiàn)無關(guān)的虛擬層，并在此層次上定義與用戶的一致性接口；
(3)實現(xiàn)層：該層使用類似開關(guān)表技術(shù)進(jìn)行具體文件系統(tǒng)轉(zhuǎn)接，實現(xiàn)各種文件系統(tǒng)的物理操作細(xì)節(jié)，每個文件系統(tǒng)是自包含的，包含文件系統(tǒng)實現(xiàn)的各種設(shè)施，如超級塊、節(jié)點區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)以及各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和文件類的操作函數(shù)。
一般地說，VFS提供以下功能：
?記錄可用的文件系統(tǒng)類型；
?把文件系統(tǒng)與對應(yīng)的存儲設(shè)備聯(lián)系起來；
?處理面向文件的通用操作；
?涉及具體文件系統(tǒng)的操作時，把它們映射到相關(guān)的具體文件系統(tǒng)。
VFS抽象層之所以能銜接各種不同的文件系統(tǒng)，是因為它定義了所有文件系統(tǒng)都支持的基本抽象接口和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時具體的文件系統(tǒng)也將自己的諸如“文件如何打開”、“目錄如何定義”等概念在形式上與VFS的定義保持一致。對于像FAT和NTFS這類非UNIX風(fēng)格文件系統(tǒng)，必須經(jīng)過封裝，提供符合VFS概念的接口。比如，一個文件系統(tǒng)不支持inode概念，它也必須在內(nèi)存中裝配inode結(jié)構(gòu)體，就像它本身包含inode一樣。這些裝配和轉(zhuǎn)換需要在使用現(xiàn)場引入特別處理，使得非UNIX文件系統(tǒng)能夠兼容UNIX文件系統(tǒng)的使用規(guī)則和滿足VFS的需求，這樣一來，非UNIX文件系統(tǒng)便可與VFS一道工作，只是性能上會有少許影響。
下面看一個文件操作的例子，假如應(yīng)用程序執(zhí)行如下文件操作：write(fd,&buf,len)；要求將buf指針指向的、長度為len字節(jié)的數(shù)據(jù)寫入文件描述符fd對應(yīng)的文件的當(dāng)前位置。
用戶執(zhí)行的系統(tǒng)調(diào)用首先被VFS的sys_write( )處理，該函數(shù)首先處理一些與設(shè)備無關(guān)的操作，并找到f所在的文件系統(tǒng)，再根據(jù)VFS結(jié)構(gòu)及它的inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供的信息，重定向到具體文件系統(tǒng)中相對應(yīng)的寫函數(shù)，由它來處理與特定設(shè)備相關(guān)的操作，并把數(shù)據(jù)寫到物理介質(zhì)。
類似于 Windows下的C、D、E等各個盤，Linux系統(tǒng)也可以將磁盤、Flash等存儲設(shè)備劃分為若干個分區(qū)，在不同分區(qū)存放不同類別的文件。與Windows的C盤類似，Linux一樣要在一個分區(qū)上存放系統(tǒng)啟動所必需的文件，比如內(nèi)核映象文件（在嵌入式系統(tǒng)中，內(nèi)核一般單獨存放在一個分區(qū)中)內(nèi)核啟動后運行的之一-個程序( init)給用戶提供操作界面的 shell程序、應(yīng)用程序所依賴的庫等。這些必需、基本的文件早氏合稱為根文件系統(tǒng)，它們存放在一個分區(qū)中。Linux 系統(tǒng)啟動后首先掛接這個分區(qū)，稱為掛接( mount）根文件系統(tǒng)。其他分梁睜數(shù)區(qū)上所有目錄、文件的，也稱為文件系統(tǒng)。Linux 中并沒有C、D、E等盤符的概念，它以樹狀結(jié)構(gòu)管理所有目錄、文件，其他分區(qū)掛接在某個目錄上，這個目錄被稱為掛接點或安裝點(mount point)，然后就可以通過這個目錄來訪問這個分區(qū)上的文件了。比如根文件系統(tǒng)被掛接在根目錄“I”上后，在根目錄下就有根文件系統(tǒng)的各個目錄、文件:/bin、/in、/mnt等;再將其他分區(qū)掛接到/mnt目錄上，/mnt目錄下就有這個分區(qū).的各個目錄、文件。在一個分區(qū)上存儲文件時，需要遵循一定的格式，這種格式稱為文橡首件系統(tǒng)類型，比如fat16、fat32、ntfs、ext2、ext3、jffs2、yaffs 等。除這些擁有實實在在的存儲分區(qū)的文件系統(tǒng)類型外，Linux還有幾種虛擬的文件系統(tǒng)類型，比如proc、sysfs 等，它們的文件并不存儲在實際的設(shè)備上，而是在訪問它們時由內(nèi)核臨時生成。比如 proc文件系統(tǒng)下的uptime文件，讀取它時可以得到兩個時間值（用來表示系統(tǒng)啟動后運行的秒數(shù)、空閑的秒數(shù))，每次讀取時都由內(nèi)核即刻生成，每次讀取結(jié)果都不一樣?！拔募到y(tǒng)類型”常被簡稱為“文件系統(tǒng)”,比如“硬盤第二個分區(qū)上的文件系統(tǒng)是EXT2”指的就是文件系統(tǒng)類型。所以“文件系統(tǒng)”這個術(shù)語，有時候指的是分區(qū)上的文件，有時候指的是文件系統(tǒng)類型，需要根據(jù)語境分辨，在閱讀各類文獻(xiàn)時需要注意這點。
程序員必備知識（操作系統(tǒng)5-文件系統(tǒng)）
本篇與之前的第三篇的內(nèi)存管理知識點有相似的地方
對于運行的進(jìn)程來說，內(nèi)存就像一個紙箱子, 僅僅是一個暫存數(shù)據(jù)的地方， 而且空間有限。如果我們想要進(jìn)程結(jié)束之后，數(shù)據(jù)依然能夠保存下來，就不能只保存在內(nèi)存里，而是應(yīng)該保存在 外部存儲 中。就像圖書館這種地方，不僅空間大,而且能夠永久保存。
我們最常用的外部存儲就是 硬盤 ，數(shù)據(jù)是以文件的形式保存在硬盤上的。為了管理這些文件，我們在規(guī)劃文件系統(tǒng)的時候，需要考慮到以下幾點。
之一點,文件系統(tǒng)要有嚴(yán)格的組織形式，使得文件能夠 以塊為單位進(jìn)行存儲 。這就像圖書館里，我們會給設(shè)置一排排書架，然后再把書架分成一個個小格子，有的項目存放的資料非常多，一個格子放不下，就需要多個格子來進(jìn)行存放。我們把這個區(qū)域稱為存放原始資料的 倉庫區(qū) 。
第二點,文件系統(tǒng)中也要有 索引區(qū) ，用來方便查找一個文件分成的多個塊都存放在了什么位置。這就好比，圖書館的書太多了,為了方便查找,我們需要專門設(shè)置一排書架,這里面會寫清楚整個檔案庫有哪些資料,資料在哪個架子的哪個格子上。這樣找資料的時候就不用跑遍整個檔案庫,在這個書架上找到后，直奔目標(biāo)書架就可以了。
第三點,如果文件系統(tǒng)中有的文件是熱點文件,近期經(jīng)常被讀取和寫入，文件系統(tǒng)應(yīng)該有 緩存層 。這就相當(dāng)于圖書館里面的熱門圖書區(qū),這里面的書都是暢銷書或者是常常被借還的圖書。因為借還的次數(shù)比較多,那就沒必要每次有人還了之后，還放回遙遠(yuǎn)的貨架，我們可以專門開辟一個區(qū)域, 放置這些借還頻次高此明的圖書。這樣借還的效率就會提高。
第四點,文件應(yīng)該用 文件夾 的形式組織起來，方便管理和查詢。這就像在圖書館里面，你可以給這些資料分門別類,比如分成計算機類.文學(xué)類.歷史類等等。這樣你也容易管理，項目組借閱的時候只要在某個類別中去找就可以了。
在文件系統(tǒng)中，每個文件都有友扒敬一個名字,這樣我們訪問一個文件，希望通過它的名字就可以找到。文件名就是一個普通的文本。 當(dāng)然文件名會經(jīng)常沖突,不同用戶取相同的名字的情況還是會經(jīng)常出現(xiàn)的。
要想把很多的文件有序地組織起來,我們就需要把它們成為 目錄 或者文件夾。這樣,一個文件夾里可以包含文件夾,也可以包含文件,這樣就形成了一種 樹形結(jié)構(gòu) 。而我們可以將不同的用戶放在不同的用戶目錄下，就可以一定程度上避免了命名的沖突問題。
第五點，Linux 內(nèi)核要在自己的內(nèi)存里面維護(hù)一套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來保存哪些文件被哪些進(jìn)程打開和使用 。這就好比，圖書館里會有個圖書管理系統(tǒng)，記錄哪些書被借閱了，被誰借閱了，借閱了多久,什么時候歸還。
文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)管理持久數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，說簡單點,就是負(fù)責(zé)把用戶的文件存到磁盤硬件中,因為即使計算機斷電了，磁盤里的數(shù)據(jù)并不會丟失,所以可以持久化的保存文件。
文件系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)單位是 文件 ，它的目的是對磁盤上的文件進(jìn)行組織管理，那組織的方式不同,就會形成不同的文件系統(tǒng)。
Linux最經(jīng)典的一句話是:“一切皆文件”,不僅普通的文件和目錄，就連塊設(shè)備、管道、socket 等，也都是統(tǒng)一交給文件系統(tǒng)管理的。
Linux文件系統(tǒng)會為每個文件分配兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu): 索引節(jié)點(index node) 和 目錄項(directory entry) ，它們主要用來記錄文件的元信息和目錄層次結(jié)構(gòu)。
●索引節(jié)點，也就是inode, 用來記錄文件的元信息，比如inode編號、文件大小訪問權(quán)限、創(chuàng)建時間、修改時間、 數(shù)據(jù)在磁盤的位置 等等。 索引節(jié)點是文件的唯一標(biāo)識 ,它們之間一一對應(yīng), 也同樣都會被 存儲在硬盤 中,所以索引節(jié)點同樣占用磁盤空間。好慎
●目錄項，也就是dentry, 用來記錄文件的名字、索引節(jié)點指針以及與其他目錄項的層級關(guān)聯(lián)關(guān)系。多個目錄項關(guān)聯(lián)起來，就會形成 目錄結(jié)構(gòu) ，但它與索引節(jié)點不同的是,目錄項是由內(nèi)核維護(hù)的一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),不存放于磁盤，而是 緩存在內(nèi)存 。
由于索引節(jié)點唯一標(biāo)識一個文件，而目錄項記錄著文件的名，所以目錄項和索引節(jié)點的關(guān)系是多對一,也就是說，一個文件可以有多個別字。比如，硬鏈接的實現(xiàn)就是多個目錄項中的索引節(jié)點指向同一個文件。
注意，目錄也是文件，也是用索引節(jié)點唯一標(biāo)識，和普通文件不同的是，普通文件在磁盤里面保存的是文件數(shù)據(jù)，而目錄文件在磁盤里面保存子目錄或文件。
（PS：目錄項和目錄不是一個東西！你也不是一個東西（^_=）， 雖然名字很相近，但目錄是個文件。持久化存儲在磁盤,而目錄項是內(nèi)核一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),緩存在內(nèi)存。
如果查詢目錄頻繁從磁盤讀，效率會很低，所以內(nèi)核會把已經(jīng)讀過的目錄用目錄項這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緩存在內(nèi)存，下次再次讀到相同的目錄時，只需從內(nèi)存讀就可以,大大提高了 文件系統(tǒng)的效率。
目錄項這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不只是表示目錄，也是可以表示文件的。）
磁盤讀寫的最小單位是 扇區(qū) ，扇區(qū)的大小只有512B大小，很明顯，如果每次讀寫都以這么小為單位，那這讀寫的效率會非常低。
所以，文件系統(tǒng)把多個扇區(qū)組成了一個 邏輯塊 ，每次讀寫的最小單位就是邏輯塊(數(shù)據(jù)塊) , Linux中的邏輯塊大小為4KB,也就是一次性讀寫 8個扇區(qū),這將大大提高了磁盤的讀寫的效率。
以上就是索引節(jié)點、目錄項以及文件數(shù)據(jù)的關(guān)系，下面這個圖就很好的展示了它們之間的關(guān)系:
索引節(jié)點是存儲在硬盤上的數(shù)據(jù)，那么為了加速文件的訪問，通常會把索引節(jié)點加載到內(nèi)存中。
另外，磁盤進(jìn)行格式化的時候，會被分成三個存儲區(qū)域，分別是超級塊、索引節(jié)點區(qū)和數(shù)據(jù)塊區(qū)。
●超級塊,用來存儲文件系統(tǒng)的詳細(xì)信息，比如塊個數(shù)、塊大小、空閑塊等等。
●索引節(jié)點區(qū),用來存儲索引節(jié)點;
●數(shù)據(jù)塊區(qū)，用來存儲文件或目錄數(shù)據(jù);
我們不可能把超級塊和索引節(jié)點區(qū)全部加載到內(nèi)存,這樣內(nèi)存肯定撐不住，所以只有當(dāng)需要使用的時候，才將其加載進(jìn)內(nèi)存，它們加載進(jìn)內(nèi)存的時機是不同的.
●超級塊:當(dāng)文件系統(tǒng)掛載時進(jìn)入內(nèi)存;
●索引節(jié)點區(qū):當(dāng)文件被訪問時進(jìn)入內(nèi)存;
文件系統(tǒng)的種類眾多，而操作系統(tǒng)希望 對用戶提供一個統(tǒng)一的接口 ，于是在用戶層與文件系統(tǒng)層引入了中間層，這個中間層就稱為 虛擬文件系統(tǒng)(Virtual File System, VFS) 。
VFS定義了一組所有文件系統(tǒng)都支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口,這樣程序員不需要了解文件系統(tǒng)的工作原理，只需要了解VFS提供的統(tǒng)一接口即可。
在Linux文件系統(tǒng)中，用戶空間、系統(tǒng)調(diào)用、虛擬機文件系統(tǒng)、緩存、文件系統(tǒng)以及存儲之間的關(guān)系如下圖:
Linux支持的文件系統(tǒng)也不少，根據(jù)存儲位置的不同，可以把文件系統(tǒng)分為三類:
●磁盤的文件系統(tǒng)，它是直接把數(shù)據(jù)存儲在磁盤中,比如Ext 2/3/4. XFS 等都是這類文件系統(tǒng)。
●內(nèi)存的文件系統(tǒng)，這類文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不是存儲在硬盤的,而是占用內(nèi)存空間，我們經(jīng)常用到的/proc 和/sys文件系統(tǒng)都屬于這一類,讀寫這類文件,實際上是讀寫內(nèi)核中相關(guān)的數(shù)據(jù)。
●網(wǎng)絡(luò)的文件系統(tǒng),用來訪問其他計算機主機數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)，比如NFS. B等等。
文件系統(tǒng)首先要先掛載到某個目錄才可以正常使用，比如Linux系統(tǒng)在啟動時,會把文件系統(tǒng)掛載到根目錄。
在操作系統(tǒng)的輔助之下，磁盤中的數(shù)據(jù)在計算機中都會呈現(xiàn)為易讀的形式，并且我們不需要關(guān)心數(shù)據(jù)到底是如何存放在磁盤中,存放在磁盤的哪個地方等等問題，這些全部都是由操作系統(tǒng)完成的。
那么，文件數(shù)據(jù)在磁盤中究竟是怎么樣的呢?我們來一探究竟!
磁盤中的存儲單元會被劃分為一個個的“ 塊 ”，也被稱為 扇區(qū) ,扇區(qū)的大小一般都為512byte.這說明即使一塊數(shù)據(jù)不足512byte,那么它也要占用512byte的磁盤空間。
而幾乎所有的文件系統(tǒng)都會把文件分割成固定大小的塊來存儲，通常一個塊的大小為4K。如果磁盤中的扇區(qū)為512byte,而文件系統(tǒng)的塊大小為4K,那么文件系統(tǒng)的存儲單元就為8個扇區(qū)。這也是前面提到的一個問題，文件大小和占用空間之間有什么區(qū)別?文件大小是文件實際的大小，而占用空間則是因為即使它的實際大小沒有達(dá)到那么大,但是這部分空間實際也被占用，其他文件數(shù)據(jù)無法使用這部分的空間。所以我們 寫入1byte的數(shù)據(jù)到文本中,但是它占用的空間也會是4K。
這里要注意在Windows下的NTFS文件系統(tǒng)中，如果一開始文件數(shù)據(jù)小于 1K,那么則不會分配磁盤塊來存儲，而是存在一個文件表中。但是一旦文件數(shù)據(jù)大于1K,那么不管以后文件的大小，都會分配以4K為單位的磁盤空間來存儲。
與內(nèi)存管理一樣,為了方便對磁盤的管理,文件的邏輯地址也被分為一個個的文件塊。于是文件的邏輯地址就是(邏輯塊號，塊內(nèi)地址)。用戶通過邏輯地址來操作文件,操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成邏輯地址與物理地址的映射。
不同的文件系統(tǒng)為文件分配磁盤空間會有不同的方式，這些方式各自都有優(yōu)缺點。
連續(xù)分配要求每個文件在磁盤上有一組連續(xù)的塊，該分配方式較為簡單。
通過上圖可以看到，文件的邏輯塊號的順序是與物理塊號相同的,這樣就可以實現(xiàn)隨機存取了，只要知道了之一個邏輯塊的物理地址, 那么就可以快速訪問到其他邏輯塊的物理地址。那么操作系統(tǒng)如何完成邏輯塊與物理塊之間的映射呢?實際上,文件都是存放在目錄下的，而目錄是一種有結(jié)構(gòu)文件, 所以在文件目錄的記錄中會存放目錄下所有文件的信息，每一個文件或者目錄都是一個記錄。 而這些信息就包括文件的起始塊號和占有塊號的數(shù)量。
那么操作系統(tǒng)如何完成邏輯塊與物理塊之間的映射呢? (邏輯塊號, 塊內(nèi)地址) -> (物理塊號, 塊內(nèi)地址)，只需要知道邏輯塊號對應(yīng)的物理塊號即可,塊內(nèi)地址不變。
用戶訪問一個文件的內(nèi)容,操作系統(tǒng)通過文件的標(biāo)識符找到目錄項FCB, 物理塊號=起始塊號+邏輯塊號。 當(dāng)然，還需要檢查邏輯塊號是否合法,是否超過長度等。因為可以根據(jù)邏輯塊號直接算出物理塊號，所以連續(xù)分配支持 順序訪問和隨機訪問 。
因為讀/寫文件是需要移動磁頭的，如果訪問兩個相隔很遠(yuǎn)的磁盤塊,移動磁頭的時間就會變長。使用連續(xù)分配來作為文件的分配方式，會使文件的磁盤塊相鄰，所以文件的讀/寫速度最快。
連續(xù)空間存放的方式雖然讀寫效率高，但是有 磁盤空間碎片 和 文件長度不易擴(kuò)展 的缺陷。
如下圖，如果文件B被刪除，磁盤上就留下一塊空缺，這時，如果新來的文件小于其中的一個空缺，我們就可以將其放在相應(yīng)空缺里。但如果該文件的大小大于所
有的空缺，但卻小于空缺大小之和，則雖然磁盤上有足夠的空缺，但該文件還是不能存放。當(dāng)然了，我們可以通過將現(xiàn)有文件進(jìn)行挪動來騰出空間以容納新的文件,但是這個在磁盤挪動文件是非常耗時，所以這種方式不太現(xiàn)實。
另外一個缺陷是文件長度擴(kuò)展不方便，例如上圖中的文件A要想擴(kuò)大一下，需要更多的磁盤空間,唯一的辦法就只能是挪動的方式，前面也說了，這種方式效率是非常低的。
那么有沒有更好的方式來解決上面的問題呢?答案當(dāng)然有，既然連續(xù)空間存放的方式不太行，那么我們就改變存放的方式，使用非連續(xù)空間存放方式來解決這些缺陷。
非連續(xù)空間存放方式分為 鏈表方式 和 索引方式 。
鏈?zhǔn)椒峙洳扇‰x散分配的方式，可以為文件分配離散的磁盤塊。它有兩種分配方式:顯示鏈接和隱式鏈接。
隱式鏈接是只目錄項中只會記錄文件所占磁盤塊中的之一塊的地址和最后一塊磁盤塊的地址, 然后通過在每一個磁盤塊中存放一個指向下一 磁盤塊的指針， 從而可以根據(jù)指針找到下一塊磁盤塊。如果需要分配新的磁盤塊,則使用最后一塊磁盤塊中的指針指向新的磁盤塊,然后修改新的磁盤塊為最后的磁盤塊。
我們來思考一個問題, 采用隱式鏈接如何將實現(xiàn)邏輯塊號轉(zhuǎn)換為物理塊號呢?
用戶給出需要訪問的邏輯塊號i,操作系統(tǒng)需要找到所需訪問文件的目錄項FCB.從目錄項中可以知道文件的起始塊號，然后將邏輯塊號0的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存,由此知道1號邏輯塊的物理塊號，然后再讀入1號邏輯塊的數(shù)據(jù)進(jìn)內(nèi)存，此次類推，最終可以找到用戶所需訪問的邏輯塊號i。訪問邏輯塊號i,總共需要i+ 1次磁盤1/0操作。
得出結(jié)論: 隱式鏈接分配只能順序訪問，不支持隨機訪問，查找效率低 。
我們來思考另外一個問題，采用隱式鏈接是否方便文件拓展?
我們知道目錄項中存有結(jié)束塊號的物理地址，所以我們?nèi)绻卣刮募恍枰獙⑿路峙涞拇疟P塊掛載到結(jié)束塊號的后面即可，修改結(jié)束塊號的指針指向新分配的磁盤塊，然后修改目錄項。
得出結(jié)論: 隱式鏈接分配很方便文件拓展。所有空閑磁盤塊都可以被利用到，無碎片問題，存儲利用率高。
顯示鏈接是把用于鏈接各個物理塊的指針顯式地存放在一張表中，該表稱為文件分配表(FAT, File Allocation Table)。
由于查找記錄的過程是在內(nèi)存中進(jìn)行的,因而不僅顯著地 提高了檢索速度 ，而且 大大減少了訪問磁盤的次數(shù) 。但也正是整個表都存放在內(nèi)存中的關(guān)系，它的主要的缺點是 不適 用于大磁盤 。
比如，對于200GB的磁盤和1KB大小的塊，這張表需要有2億項，每一項對應(yīng)于這2億個磁盤塊中的一個塊,每項如果需要4個字節(jié)，那這張表要占用800MB內(nèi)存,很顯然FAT方案對于大磁盤而言不太合適。
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鏈表的方式解決了連續(xù)分配的磁盤碎片和文件動態(tài)打展的問題，但是不能有效支持直接訪問(FAT除外) ,索引的方式可以解決這個問題。
索引的實現(xiàn)是為每個文件創(chuàng)建一個 索引數(shù)據(jù)塊 ，里面存放的 是指向文件數(shù)據(jù)塊的指針列表 ,說白了就像書的目錄一樣,要找哪個章節(jié)的內(nèi)容,看目錄查就可以。
另外， 文件頭需要包含指向索引數(shù)據(jù)塊的指針 ,這樣就可以通過文件頭知道索引數(shù)據(jù)塊的位置，再通過索弓|數(shù)據(jù)塊里的索引信息找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊。
創(chuàng)建文件時，索引塊的所有指針都設(shè)為空。當(dāng)首次寫入第i塊時，先從空閑空間中取得一個塊， 再將其地址寫到索引塊的第i個條目。
索引的方式優(yōu)點在于:
●文件的創(chuàng)建、增大、縮小很方便;
●不會有碎片的問題;
●支持順序讀寫和隨機讀寫;
由于索引數(shù)據(jù)也是存放在磁盤塊的，如果文件很小，明明只需一塊就可以存放的下，但還是需要額外分配一塊來存放索引數(shù)據(jù)，所以缺陷之一就是存儲索引帶來的開銷。
如果文件很大，大到一個索引數(shù)據(jù)塊放不下索引信息，這時又要如何處理大文件的存放呢?我們可以通過組合的方式，來處理大文件的存儲。
先來看看 鏈表+索引 的組合，這種組合稱為 鏈?zhǔn)剿饕龎K ，它的實現(xiàn)方式是在 索引數(shù)據(jù)塊留出一個存放下一個索引數(shù)據(jù)塊的指針 ，于是當(dāng)一個索引數(shù)據(jù)塊的索引信息用完了，就可以通過指針的方式，找到下一個索引數(shù)據(jù)塊的信息。那這種方式也會出現(xiàn)前面提到的鏈表方式的問題，萬一某個指針損壞了，后面的數(shù)據(jù)也就會無法讀取了。
還有另外一種組合方式是 索引+索引 的方式，這種組合稱為多級索引塊，實現(xiàn)方式是通過一個索引塊來存放多個索引數(shù)據(jù)塊,一層套一層索引， 像極了俄羅斯套娃是吧?乛?乛?
前面說到的文件的存儲是針對已經(jīng)被占用的數(shù)據(jù)塊組織和管理，接下來的問題是，如果我要保存一個數(shù)據(jù)塊, 我應(yīng)該放在硬盤上的哪個位置呢?難道需要將所有的塊掃描一遍，找個空的地方隨便放嗎?
那這種方式效率就太低了，所以針對磁盤的空閑空間也是要引入管理的機制，接下來介紹幾種常見的方法:
●空閑表法
●空閑鏈表法
●位圖法
空閑表法
空閑表法就是為所有空閑空間建立一張表，表內(nèi)容包括空閑區(qū)的之一個塊號和該空閑區(qū)的塊個數(shù)，注意，這個方式是連續(xù)分配的。如下圖:
當(dāng)請求分配磁盤空間時，系統(tǒng)依次掃描空閑表里的內(nèi)容，直到找到一個合適的空閑區(qū)域為止。當(dāng)用戶撤銷一個文件時，系統(tǒng)回收文件空間。這時，也需順序掃描空閑表,尋找一個空閑表條目并將釋放空間的之一個物理塊號及它占用的塊數(shù)填到這個條目中。
這種方法僅當(dāng)有少量的空閑區(qū)時才有較好的效果。因為，如果存儲空間中有著大量的小的空閑區(qū),則空閑表變得很大,這樣查詢效率會很低。另外，這種分配技術(shù)適用于建立連續(xù)文件。
空閑鏈表法
我們也可以使用鏈表的方式來管理空閑空間，每一個空閑塊里有一個指針指向下一個空閑塊，這樣也能很方便的找到空閑塊并管理起來。如下圖：
當(dāng)創(chuàng)建文件需要一塊或幾塊時，就從鏈頭上依次取下一塊或幾塊。反之，當(dāng)回收空間時，把這些空閑塊依次接到鏈頭上。
這種技術(shù)只要在主存中保存一個指針, 令它指向之一個空閑塊。其特點是簡單,但不能隨機訪問，工作效率低，因為每當(dāng)在鏈上增加或移動空閑塊時需要做很多1/0操作,同時數(shù)據(jù)塊的指針消耗了一定的存儲空間。
空閑表法和空閑鏈表法都不適合用于大型文件系統(tǒng)，因為這會使空閑表或空閑鏈表太大。
位圖法
位圖是利用二進(jìn)制的一位來表示磁盤中一個盤塊的使用情況，磁盤上所有的盤塊都有一個二進(jìn)制位與之對應(yīng)。
當(dāng)值為0時，表示對應(yīng)的盤塊空閑，值為1時，表示對應(yīng)的盤塊已分配。它形式如下:
在Linux文件系統(tǒng)就采用了位圖的方式來管理空閑空間,不僅用于數(shù)據(jù)空閑塊的管理,還用于inode空閑塊的管理，因為inode也是存儲在磁盤的，自然也要有對其管理。
前面提到Linux是用位圖的方式管理空閑空間，用戶在創(chuàng)建一個新文件時， Linux 內(nèi)核會通過inode的位圖找到空閑可用的inode,并進(jìn)行分配。要存儲數(shù)據(jù)時，會通過塊的位圖找到空閑的塊，并分配，但仔細(xì)計算一下還是有問題的。
數(shù)據(jù)塊的位圖是放在磁盤塊里的，假設(shè)是放在一個塊里,一個塊4K,每位表示一個數(shù)據(jù)塊,共可以表示4 * 1024 * 8 = 2^15個空閑塊,由于1個數(shù)據(jù)塊是4K大小，那么更大可以表示的空間為2^15 * 4 * 1024 = 2^27個byte,也就是128M。
也就是說按照上面的結(jié)構(gòu)，如果采用（一個塊的位圖+ 一系列的塊），外加一（個塊的inode的位圖+一系列的inode）的結(jié)構(gòu)能表示的更大空間也就128M,
這太少了，現(xiàn)在很多文件都比這個大。
在Linux文件系統(tǒng)，把這個結(jié)構(gòu)稱為一個 塊組 ，那么有N多的塊組,就能夠表示N大的文件。
最終,整個文件系統(tǒng)格式就是下面這個樣子。
最前面的之一個塊是引導(dǎo)塊,在系統(tǒng)啟動時用于啟用引導(dǎo)，接著后面就是一個一個連續(xù)的塊組了,塊組的內(nèi)容如下:
● 超級塊 ,包含的是文件系統(tǒng)的重要信息，比如inode總個數(shù)、塊總個數(shù)、每個塊組的inode個數(shù)、每個塊組的塊個數(shù)等等。
● 塊組描述符 ,包含文件系統(tǒng)中各個塊組的狀態(tài),比如塊組中空閑塊和inode的數(shù)目等，每個塊組都包含了文件系統(tǒng)中「所有塊組的組描述符信息」。
● 數(shù)據(jù)位圖和inode位圖 ，用于表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)塊或inode是空閑的，還是被使用中。
● inode 列表 ，包含了塊組中所有的inode, inode 用于保存文件系統(tǒng)中與各個文件和目錄相關(guān)的所有元數(shù)據(jù)。
● 數(shù)據(jù)塊 ，包含文件的有用數(shù)據(jù)。
你可以會發(fā)現(xiàn)每個塊組里有很多重復(fù)的信息，比如 超級塊和塊組描述符表，這兩個都是全局信息，而且非常的重要 ，這么做是有兩個原因:
●如果系統(tǒng)崩潰破壞了超級塊或塊組描述符,有關(guān)文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的所有信息都會丟失。如果有冗余的副本,該信息是可能恢復(fù)的。
●通過使文件和管理數(shù)據(jù)盡可能接近，減少了磁頭尋道和旋轉(zhuǎn),這可以提高文件系統(tǒng)的性能。
不過，Ext2 的后續(xù)版本采用了稀疏技術(shù)。該做法是，超級塊和塊組描述符表不再存儲到文件系統(tǒng)的每個塊組中,而是只寫入到塊組0、塊組1和其他ID可以表示為3、5、7的冪的塊組中。
在前面，我們知道了一個普通文件是如何存儲的，但還有一個特殊的文件,經(jīng)常用到的目錄，它是如何保存的呢?
基于Linux 一切切皆文件的設(shè)計思想，目錄其實也是個文件,你甚至可以通過vim打開它，它也有inode, inode 里面也是指向一些塊。
和普通文件不同的是， 普通文件的塊里面保存的是文件數(shù)據(jù)，而目錄文件的塊里面保存的是目錄里面一項一項的文件信息 。
在目錄文件的塊中，最簡單的保存格式就是 列表 ，就是一項一項地將目錄下的文件信息(如文件名、文件inode.文件類型等)列在表里。
列表中每一項就代表該目錄下的文件的文件名和對應(yīng)的inode,通過這個inode,就可以找到真正的文件。
通常，之一項是「則」，表示當(dāng)前目錄,第二項是.，表示上一級目錄, 接下來就是一項一項的文件名和inode。
如果一個目錄有超級多的文件,我們要想在這個目錄下找文件,按照列表一項一項的找,效率就不高了。
于是，保存目錄的格式改成 哈希表 ，對文件名進(jìn)行哈希計算,把哈希值保存起來,如果我們要查找一個目錄下面的文件名，可以通過名稱取哈希。如果哈希能夠匹配上,就說明這個文件的信息在相應(yīng)的塊里面。
Linux系統(tǒng)的ext文件系統(tǒng)就是采用了哈希表，來保存目錄的內(nèi)容,這種方法的優(yōu)點是查找非常迅速，插入和刪除也較簡單,不過需要一些預(yù)備措施來避免哈希沖突。
目錄查詢是通過在磁盤上反復(fù)搜索完成，需要不斷地進(jìn)行/0操作,開銷較大。所以,為了減少/0操作,把當(dāng)前使用的文件目錄緩存在內(nèi)存，以后要使用該文件時只要在內(nèi)存中操作，從而降低了磁盤操作次數(shù),提高了文件系統(tǒng)的訪問速度。
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