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Linux学习笔记：文件系统与目录树

Linux文件系统

在使用磁盘之前，必须对其进行格式化（format），因为不同的操作系统使用不同的文件系统格式。例如，Windows 98之前使用的是FAT文件系统，而Windows 2000及以后版本使用的是NTFS文件系统。Linux系统通常使用Ext2文件系统（ext2fs），其特点是支持扩展文件系统结构。

Ext2文件系统

Ext2文件系统的核心组成包括inode、block和superblock：

• inode：记录文件的权限、属性、所属者、创建时间、最近访问时间、最近修改时间等信息。每个文件占用一个inode，且inode大小固定为128字节（某些版本可能为256字节）。
• block：存储文件的实际内容，文件过大时会占用多个block。
• superblock：存储文件系统的整体信息，包括inode和block的总量、使用量、剩余量、文件系统格式等。

Block Group

为了便于管理，Ext2文件系统将磁盘划分为多个区块群组（block group），每个群组包含独立的inode table、data block和superblock。整个文件系统的前面有一个启动扇区（boot sector），用于存储系统启动所需的管理程序。

Block大小与限制

• Block大小在格式化时固定，影响文件系统的最大单文件容量和总容量。
• 最大单一文件容量：1KB文件系统支持16GB，2KB支持256GB，4KB支持2TB。
• 最大文件系统总容量：1KB支持2TB，2KB支持8TB，4KB支持16TB。
• Block的其他限制包括：只能通过格式化修改，文件数据只能占用单个block，文件过大时占用多个block。

Inode记录

inode记录block编号的区域划分为12个直接记录区、1个间接记录区、1个双间接记录区和1个三间接记录区。假设block大小为1KB：

• 12个直接记录区可记录12个block编号，容量为12KB。
• 1个间接记录区可记录256个block编号，容量为256KB。
• 1个双间接记录区可记录256×256=65536个block编号，容量为256×256×1KB=256²KB。
• 1个三间接记录区可记录256³=16777216个block编号，容量为256³×1KB=256³KB。

Block Group中的其他内容

每个区块群组中还包括：

• 文件系统描述（filesystem description）：记录区块群组的开始和结束block编号。
• 区块对照表（block bitmap）：记录可用或已释放的block编号。
• inode对照表（inode bitmap）：记录未被使用或已被使用的inode编号。

Dumpe2fs

dumpe2fs命令可以查看Ext文件系统的superblock详细信息。

文件系统与目录树

目录

在Linux系统中，建立目录时，文件系统会为其分配一个inode和至少一个block。目录的block记录目录下文件名及其对应的inode号码。使用ls -i命令可以查看目录下文件的inode信息。

目录树读取

目录树从根目录开始读取，系统通过挂载信息获取挂载点的inode，从而得到根目录的block内容和对应的文件inode。

挂载点

每个文件系统都有独立的inode/block/superblock信息，并且需要链接到目录树才能被用户访问。挂载点是一个目录，作为进入文件系统的入口。

同一个文件系统的inode只对应一个文件内容

因此，可以通过inode号判断不同文件名是否为同一文件。

元数据与日志式文件系统

文件存取

在Ext2/Ext3/Ext4文件系统中，新增文件时：

日志式文件系统

日志式文件系统（journaling filesystem）解决元数据与实际存储数据不一致的问题。EXT3和EXT4文件系统专门划出日志记录区，记录文件写入或修改的步骤。一旦系统中断，日志记录区可以帮助快速修复文件系统。

文件系统异步处理

由于磁盘写入速度远慢于内存，Linux使用异步处理解决大文件编辑效率问题：

• 内存中的文件数据若未被修改，视为干净数据（clean）。
• 若修改后，视为脏数据（dirty），系统定时将脏数据写回磁盘。
• 可使用sync命令手动强迫写入。

其他Linux文件系统

Linux支持的文件系统包括：

• 传统文件系统：ext2, minix, MS-DOS, FAT (vfat), iso9660。
• 日志式文件系统：ext3, ext4, ReiserFS, NTFS, JFS, XFS, ZFS。
• 网络文件系统：NFS, SMBFS。

可以通过以下命令查看支持的文件系统：

ls -l /lib/modules/$(uname -r)/kernel/fs
cat /proc/filesystems

文件系统操作

目录磁盘使用量

• df指令：查看文件系统磁盘使用量，格式为df [-ahikHTm] [目录或文件名]。
• du指令：查看目录或文件的磁盘容量，格式为du [-ahskm] [目录或文件名]。

实体链接与符号链接

• 硬链接：文件名与inode直接相关，删除源文件不会删除链接。
• 符号链接：文件名指向另一个文件，删除源文件会删除链接。

创建链接文件：

• 使用ln命令，默认创建硬链接。
• 使用-s参数创建符号链接。

符号链接与目录链接

默认创建目录时，子目录下会生成两个链接文件：

• /tmp/test/（指向自身）。
• /tmp/test/..（指向上层目录）。