Linux：Ext系列文件系统

一、理解硬件

1、磁盘

速度慢、容量大、价格偏移

磁盘的存储结构：
磁盘的基本单位是：扇区（512字节）

每一个盘面都对应两个磁头
所有磁头共进退，因为只有一个传动臂

所有磁头所在磁道共同构成一个柱面
磁盘写入的时候，是向柱面进行批量写入的！

2、定位一个扇区

• 可以先定位磁头（header）
• 确定磁头要访问哪⼀个柱⾯(磁道)（cylinder）
• 定位⼀个扇区(sector)
• CHS地址定位

⽂件 = 内容+属性 都是数据，⽆⾮就是占据那⼏个扇区的问题！

• 扇区是从磁盘读出和写⼊信息的最⼩单位，通常⼤⼩为 512 字节。
• 磁头（head）数：每个盘⽚⼀般有上下两⾯，分别对应1个磁头，共2个磁头
• 磁道（track）数：磁道是从盘⽚外圈往内圈编号0磁道，1磁道…，靠近主轴的同⼼圆⽤于停靠磁头，不存储数据
• 柱⾯（cylinder）数：磁道构成柱⾯，数量上等同于磁道个数
• 扇区（sector）数：每个磁道都被切分成很多扇形区域，每道的扇区数量相同
• 圆盘（platter）数：就是盘⽚的数量
• 磁盘容量=磁头数 × 磁道(柱⾯)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

3、磁盘的逻辑结构

磁带上⾯可以存储数据，我们可以把磁带“拉直”，形成线性结构

那么磁盘本质上虽然是硬质的，但是逻辑上我们可以把磁盘想象成为卷在⼀起的磁带，那么磁盘的逻辑存储结构我们也可以类似于：

这样每⼀个扇区，就有了⼀个线性地址(其实就是数组下标)，这种地址叫做LBA
磁道：
某⼀盘⾯的某⼀个磁道展开：

柱⾯：
整个磁盘所有盘⾯的同⼀个磁道，即柱⾯展开：

所有，寻址⼀个扇区：先找到哪⼀个柱⾯(Cylinder),在确定柱⾯内哪⼀个磁道(其实就是磁头位置，Head)，在确定扇区（Sector），所以就有了CHS。

每⼀个扇区都有⼀个下标，我们叫做LBA(Logical Block Address)地址,其实就是线性地址。

4、CHS 和 LBA地址 互相转换

CHS 转成 LBA:

• 磁头数*每磁道扇区数 = 单个柱⾯的扇区总数
• LBA = 柱⾯号C单个柱⾯的扇区总数 + 磁头号H每磁道扇区数 + 扇区号S - 1
• 即：LBA = 柱⾯号C*(磁头数每磁道扇区数) + 磁头号H每磁道扇区数 + 扇区号S - 1
• 扇区号通常是从1开始的，⽽在LBA中，地址是从0开始的
• 柱⾯和磁道都是从0开始编号的
• 总柱⾯，磁道个数，扇区总数等信息，在磁盘内部会⾃动维护，上层开机的时候，会获取到这些参数。

LBA转成CHS：

• 柱⾯号C = LBA // (磁头数*每磁道扇区数)【就是单个柱⾯的扇区总数】
• 磁头号H = (LBA % (磁头数*每磁道扇区数)) // 每磁道扇区数
• 扇区号S = (LBA % 每磁道扇区数) + 1
• “//”: 表⽰除取整

二、引入文件系统

1、引入“块”概念

OS 文件系统访问磁盘，不以扇区为单位，而是以“块”为单位
其实硬盘是典型的“块”设备，操作系统读取硬盘数据的时候，其实是不会⼀个个扇区地读取，这样效率太低，⽽是⼀次性连续读取多个扇区，即⼀次性读取⼀个”块”（block）。
硬盘的每个分区是被划分为⼀个个的”块”。⼀个”块”的⼤⼩是由格式化的时候确定的，并且不可以更改，最常⻅的是4KB，即连续⼋个扇区组成⼀个 ”块”。”块”是⽂件存取的最⼩单位。

stat 任何一个文件,它的 IO Block 为 4KB

• 知道LBA：块号 = LBA/8
• 知道块号：LAB=块号*8 + n. (n是块内第⼏个扇区)

2、引⼊"分区"概念

其实磁盘是可以被分成多个分区（partition）的，以Windows观点来看，你可能会有⼀块磁盘并且将它分区成C,D,E盘。那个C,D,E就是分区。分区从实质上说就是对硬盘的⼀种格式化。但是Linux的设备都是以⽂件形式存在，那是怎么分区的呢？

柱⾯是分区的最⼩单位，我们可以利⽤参考柱⾯号码的⽅式来进⾏分区，其本质就是设置每个区的起始柱⾯和结束柱⾯号码。 此时我们可以将硬盘上的柱⾯（分区）进⾏平铺，将其想象成⼀个⼤的平⾯，如下图所⽰：

在Linux中分区还是太大了，会继续分组

三、ext2 ⽂件系统

1、超级块 Super Block

2、GDT（Group Descriptor Table）

3、块位图（Block Bitmap）

4、inode位图（Inode Bitmap）

5、目录与文件名

// readdir.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h> 
#include <dirent.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> int main(int argc, char *argv[]) { if (argc != 2) { fprintf(stderr, "Usage: %s <directory>\n", argv[0]); exit(EXIT_FAILURE); } DIR *dir = opendir(argv[1]); // 系统调⽤，⾃⾏查阅 if (!dir) { perror("opendir"); exit(EXIT_FAILURE); } struct dirent *entry; while ((entry = readdir(dir)) != NULL) { // 系统调⽤，⾃⾏查阅 // Skip the "." and ".." directory entries if (strcmp(entry->d_name, ".") == 0 || strcmp(entry->d_name, "..") == 0) { continue; } printf("Filename: %s, Inode: %lu\n", entry->d_name, (unsigned long)entry->d_ino); 
} closedir(dir); return 0; 
}

6、路径解析

7、路径缓存

8、挂载分区

$ dd if=/dev/zero of=./disk.img bs=1M count=5 #制作⼀个⼤的磁盘块，就当做⼀个分区 
$ mkfs.ext4 disk.img # 格式化写⼊⽂件系统 
$ mkdir /mnt/mydisk # 建⽴空⽬录 
$ df -h # 查看可以使⽤的分区 
$ sudo mount -t ext4 ./disk.img /mnt/mydisk/ # 将分区挂载到指定的⽬录 
$ sudo umount /mnt/mydisk # 卸载分区 

9、inode和datablock映射(弱化)

四、软硬链接

1、软链接

ln -s

软链接是一个独立的文件！因为他有独立的 inode number !
软链接起始就是Windows下的快捷方式！

unlink //删除软链接

2、硬链接

ln //硬链接

对文件进行备份
硬链接只能给普通文件进行建立，Linux系统不支持给目录建立硬链接！
容易形成路径环问题，不允许用户给目录建立硬链接