linux檔案系統基礎知識

1、linux檔案系統分配策略：

塊分配( block allocation ) 和擴充套件分配 ( extent allocation )

塊分配：磁碟上的檔案塊根據需要分配給檔案，避免了儲存空間的浪費。但當檔案擴充時，會造成檔案中檔案塊的不連續，從而導致過多的磁碟尋道時間。

每一次檔案擴充套件時，塊分配演算法就需要寫入檔案塊的結構資訊，也就是 meta-dada 。meta-data總是與檔案一起寫入儲存裝置，改變檔案的操作要等到所有meta-data的操作都完成後才能進行，

因此，meta-data的操作會明顯降低整個檔案系統的效能。

擴充套件分配：檔案建立時，一次性分配一連串連續的塊，當檔案擴充套件時，也一次分配很多塊。meta-data在檔案建立時寫入，當檔案大小沒有超過所有已分配檔案塊大小時，就不用寫入meta-data，直到需要再分配檔案塊的時候。

擴充套件分配採用成組分配塊的方式，減少了scsi裝置寫資料的時間，在讀取順序檔案時具有良好的效能，但隨機讀取檔案時，就和塊分配類似了。

檔案塊的組或塊簇 ( block cluster) 的大小是在編譯時確定的。簇的大小對檔案系統的效能有很大的影響。

注： meta-data 元資訊：和檔案有關的資訊，比如許可權、所有者以及建立、訪問或更改時間等。

2、檔案的記錄形式

linux文家系統使用索引節點(inode)來記錄檔案資訊。索引節點是一種資料結構，它包含了乙個檔案的長度、建立及修改時間、許可權、所屬關係、磁碟中的位置等資訊。

乙個檔案系統維護了乙個索引節點的陣列，每個檔案或目錄都與索引節點陣列中的唯一的元素對應。每個索引節點在陣列中的索引號，稱為索引節點號。

linux檔案系統將檔案索引節點號和檔名同時儲存在目錄中，所以，目錄只是將檔案的名稱和它的索引節點號結合在一起的一張表，目錄中每一對檔名稱和索引節點號稱為乙個連線。

對於乙個檔案來說，有乙個索引節點號與之對應；而對於乙個索引節點號，卻可以對應多個檔名。

連線分為軟連線和硬連線，其中軟連線又叫符號連線。

硬連線：原檔名和連線檔名都指向相同的實體地址。目錄不能有硬連線；硬連線不能跨檔案系統(不能跨越不同的分割槽)，檔案在磁碟中只有乙個拷貝。

由於刪除檔案要在同乙個索引節點屬於唯一的連線時才能成功，因此硬連線可以防止不必要的誤刪除。

軟連線：用 ln -s 命令建立檔案的符號連線。符號連線是linux特殊檔案的一種，作為乙個檔案，它的資料是它所連線的檔案的路徑名。沒有防止誤刪除的功能。

3、檔案系統型別：

ext2 ：早期linux中常用的檔案系統

ext3 ： ext2的公升級版，帶日誌功能

ramfs ：記憶體檔案系統，速度很快

nfs ：網路檔案系統，由sun發明，主要用於遠端檔案共享

ms-dos ： ms-dos檔案系統

vfat ： windows 95/98 作業系統採用的檔案系統

fat ： windows xp 作業系統採用的檔案系統

ntfs ： windows nt/xp 作業系統採用的檔案系統

hpfs ： os/2 作業系統採用的檔案系統

proc : 虛擬的程序檔案系統

iso9660 ：大部分光碟所採用的檔案系統

ufssun : os 所採用的檔案系統

ncpfs ： novell 伺服器所採用的檔案系統

smbfs ： samba 的共享檔案系統

xfs ：由sgi開發的先進的日誌檔案系統，支援超大容量檔案

jfs ：ibm的aix使用的日誌檔案系統

reiserfs : 基於平衡樹結構的檔案系統

udf: 可擦寫的資料光碟檔案系統

4、虛擬檔案系統vfs

linux支援的所有檔案系統稱為邏輯檔案系統，而linux在傳統的邏輯檔案系統的基礎上增加料乙個蓄念檔案系統( vitual file system ,vfs) 的介面層。

虛擬檔案系統(vfs) 位於檔案系統的最上層，管理各種邏輯檔案系統，並可以遮蔽各種邏輯檔案系統之間的差異，提供統一檔案和裝置的訪問介面。

5、檔案的邏輯結構

檔案的邏輯結構可分為兩大類：位元組流式的無結構檔案和記錄式的有結構檔案。

由位元組流（位元組序列）組成的檔案是一種無結構檔案或流式檔案，不考慮檔案內部的邏輯結構，只是簡單地看作是一系列位元組的序列，便於在檔案的任意位置新增內容。

由記錄組成的檔案稱為記錄式檔案，記錄是這種檔案型別的基本資訊單位，記錄式檔案通用於資訊管理。

6、檔案型別

普通檔案：通常是流式檔案

目錄檔案：用於表示和管理系統中的全部檔案

連線檔案：用於不同目錄下檔案的共享

裝置檔案：包括塊裝置檔案和字元裝置檔案，塊裝置檔案表示磁碟檔案、光碟等，字元裝置檔案按照字元操作終端、鍵盤等裝置。

管道(fifo)檔案 : 提供程序建通訊的一種方式

套接字(socket) 檔案：該檔案型別與網路通訊有關

7、檔案結構：包括索引節點和資料

索引節點：又稱 i 節點，在檔案系統結構中，包含有關相應檔案的資訊的乙個記錄，這些資訊包括檔案許可權、檔名、檔案大小、存放位置、建立日期等。檔案系統中所有檔案的索引節點儲存在索引節點表中。

資料：檔案的實際內容。可以是空的，也可以非常大，並且擁有自己的結構。

8、ext2檔案系統

ext2檔案系統的資料塊大小一般為 1024b、2048b 或 4096b

ext2檔案系統採用的索引節點(inode)：

索引節點採用了多重索引結構，主要體現在直接指標和3個間接指標。直接指標包含12個直接指標塊，它們直接指向包含檔案資料的資料塊，緊接在後面的3個間接指標是為了適應檔案的大小變化而設計的。

e.g：假設資料塊大小為1024b ，利用12個直接指標，可以儲存最大為12kb的檔案，當檔案超過12kb時，則要利用單級間接指標，該指標指向的資料塊儲存有一組資料塊指標，這些指標依次指向包含有實際資料的資料塊，

假如每個指標占用4b，則每個單級指標資料塊可儲存 1024/4＝256 個資料指標，因此利用直接指標和單級間接指標可儲存 1024*12＋1024*256＝268 kb的檔案。當檔案超過268kb時，再利用二級間接指標，直到使用**間接指標。

利用直接指標、單級間接指標、二級間接指標、**間接指標可儲存的最大檔案大小為：

1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256＝16843020 kb，約 16gb

若資料塊大小為2048b，指標佔4b，則最大檔案大小為： 2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512＝268,960,792 kb 約 268gb

若資料塊大小為4096b，指標佔4b，則最大檔案大小為： 4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024＝4,299,165,744 kb ，約 4tb

注：命令 tune2fs -l /dev/sda5 可檢視檔案系統

ext2檔案系統最大檔名長度： 255個字元

ext2檔案系統的缺點：

ext2在寫入檔案內容的同時並沒有同時寫入檔案meta-data，其工作順序是先寫入檔案的內容，然後等空閒時候才寫入檔案的meta-data。若發生意外，則檔案系統就會處於不一致狀態。

在重新啟動系統的時候，linux會啟動 fsk ( file system check) 的程式，掃瞄整個檔案系統並試圖修復，但不提供保證。

9、ext3檔案系統：

ext3基於ext2的**，所以磁碟格式與ext2相同，使用相同的元資料。

ext2檔案系統無損轉化為ext3檔案系統： tune2fs -j /dev/sda6

日誌塊裝置( journaling block device layer,jbd)完成ext3檔案系統日誌功能。jbd不是ext3檔案系統所特有的，它的設計目標是為了向乙個塊裝置新增日誌功能。

當乙個檔案修改執行時，ext3檔案系統**將通知jbd，稱為乙個事務(transaction)。發生意外時，日誌功能具有的重放功能，能重新執行中斷的事務。

日誌中的3種資料模式：

1)、data=writeback ：不處理任何形式的日誌資料，給使用者整體上的最高效能

2)、data=odered ：只記錄元資料日誌，但將元資料和資料組成乙個單元稱為事務(transaction) 。此模式保持所句句的可靠性與檔案系統的一致性，效能遠低於data=writeback模式，但比data=journal模式快

3)、data=journal ：提供完整的資料及元資料日誌，所有新資料首先被寫入日誌，然後才被定位。意外發生過後，日誌可以被重放，將資料與元資料帶回一致狀態。這種模式整體效能最慢，但資料需要從磁碟讀取和寫入磁碟時卻是3種模式中最快的。

ext3檔案系統最大檔名長度： 255個字元

ext3檔案系統的優點：可用性、資料完整性、速度、相容性

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