01-Linux 文件系统

Linux 文件系统

Linux 文件系统简介

在 Linux 操作系统中，一切被操作系统管理的资源，如网络接口卡、磁盘驱动器、打印机、输入输出设备、普通文件或目录等，都被视为文件。这是 Linux 系统中一个重要的概念，即”一切都是文件”。

这种概念源自 UNIX 哲学，即将所有资源都抽象为文件的方式来进行管理和访问。Linux 的文件系统也借鉴了 UNIX 文件系统的设计理念。这种设计使得 Linux 系统可以通过统一的文件接口来管理和操作不同类型的资源，从而实现了一种统一的文件操作方式。例如，可以使用类似于读写文件的方式来对待网络接口、磁盘驱动器、设备文件等，使得操作和管理这些资源更加统一和简便。

这种文件为中心的设计理念为 Linux 系统带来了灵活性和可扩展性，使得 Linux 成为一种强大的操作系统。同时，这也是 Linux 系统的一大特点，深受广大用户和开发者的喜欢和推崇。

inode 介绍

理解 inode，要从文件储存说起。

文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做”扇区”（Sector）。每个扇区储存 512 字节（相当于0.5KB）。

操作系统读取硬盘的时候，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）。这种由多个扇区组成的”块”，是文件存取的最小单位。”块”的大小，最常见的是 4KB，即连续八个 sector 组成一个 block。

文件数据都储存在”块”中，那么很显然，我们还必须有一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做 inode，中文译名为”索引节点”。

每一个文件都有对应的 inode，inode 中大致有如下信息：

• 文件属主与属组
• 文件读写属性（基本rwx权限等）
• 文件大小（字节数）
• 文件时间戳（ctime、atime、mtime）
• 记录文件内容的指向block（文件内容数据的存储位置指针）
• 文件特性表示（flag，如SetUID）
• 连接数（有多少硬链接指向这个inode）

inode 是一种固定大小的数据结构，其大小在文件系统创建时就确定了，并且在文件的生命周期内保持不变。

inode 的数量是有限的，每个文件系统只能包含固定数量的 inode。这意味着当文件系统中的 inode 用完时，无法再创建新的文件或目录，即使磁盘上还有可用空间。因此，在创建文件系统时，需要根据文件和目录的预期数量来合理分配 inode 的数量。

可以使用 stat 命令可以查看文件的 inode 信息，包括文件的 inode 号、文件类型、权限、所有者、文件大小、修改时间。

再总结一下 inode 和 block：

• inode：记录文件的属性信息，可以使用 stat 命令查看 inode 信息。
• block：实际文件的内容，如果一个文件大于一个块时候，那么将占用多个 block，但是一个块只能存放一个文件。（因为数据是由 inode 指向的，如果有两个文件的数据存放在同一个块中，就会乱套了）

可以看出，Linux/Unix 操作系统使用 inode 区分不同的文件。这样做的好处是，即使文件名被修改或删除，文件的 inode 号码不会改变，从而可以避免一些因文件重命名、移动或删除导致的错误。同时，inode 也可以提供更高的文件系统性能，因为 inode 的访问速度非常快，可以直接通过 inode 号码定位到文件的元数据信息，无需遍历整个文件系统。

不过，使用 inode 号码也使得文件系统在用户和应用程序层面更加抽象和复杂，需要通过系统命令或文件系统接口来访问和管理文件的 inode 信息。

硬链接和软链接 ★★★

在 Linux/类 Unix 系统上，文件链接（File Link）是一种特殊的文件类型，可以在文件系统中指向另一个文件。常见的文件链接类型有两种：

1、硬链接（Hard Link）

创建硬链接：ln 源文件 硬链接文件

• 在 Linux/类 Unix 文件系统中，每个文件和目录都有一个唯一的索引节点（inode）号，用来标识该文件或目录。硬链接通过 inode 节点号建立连接，硬链接和源文件的 inode 节点号相同，两者对文件系统来说是完全平等的（可以看作是互为硬链接，源头是同一份文件），删除其中任何一个对另外一个没有影响，可以通过给文件设置硬链接文件来防止重要文件被误删。
• 只有删除了源文件和所有对应的硬链接文件，该文件才会被真正删除。
• 硬链接具有一些限制，不能对目录以及不存在的文件创建硬链接，并且，硬链接也不能跨越文件系统。
• ln 命令用于创建硬链接。

2、软链接（Symbolic Link 或 Symlink）

创建软链接：ln -s 源文件 软链接文件

• 软链接和源文件的 inode 节点号不同，而是指向一个文件路径。
• 源文件删除后，软链接依然存在，但是指向的是一个无效的文件路径。
• 软连接类似于 Windows 系统中的快捷方式。
• 不同于硬链接，可以对目录或者不存在的文件创建软链接，并且，软链接可以跨越文件系统。

硬链接和软链接区别

1. 软链接其实就是创建一个新文件，这个文件就是用来指向其他文件的，软链接文件的 inode 号跟源文件的 inode 不同。
2. 硬链接是不会创建 inode 号的，他只是在源文件的 inode link count 域里再增加 1，因此硬链接不可以跨文件系统，软链接可以。
3. 硬链接是一个文件别名。软连接是一个快捷方式。
4. 硬链接不可以对不存在的文件和目录创建，软链接可以。

硬链接为什么不能跨文件系统？

我们之前提到过，硬链接是通过 inode 节点号建立连接的，而硬链接和源文件共享相同的 inode 节点号。

然而，每个文件系统都有自己的独立 inode 表，且每个 inode 表只维护该文件系统内的 inode。如果在不同的文件系统之间创建硬链接，可能会导致 inode 节点号冲突的问题，即目标文件的 inode 节点号已经在该文件系统中被使用。

简述 Linux 文件系统通过 inode 把文件的逻辑结构和物理结构转换的工作过程

在 inode 节点表中最重要的内容是磁盘地址表。在磁盘地址表中有 13 个块号，文件将以块号在磁盘地址表中出现的顺序依次读取相应的块。

Linux 文件系统通过把 inode 节点和文件名进行连接，当需要读取该文件时，文件系统在当前目录表中查找该文件名对应的项，由此得到该文件相对应的 inode 节点号，通过该 inode 节点的磁盘地址表把分散存放的文件物理块连接成文件的逻辑结构。

一个大文件，文件内容占用大量存储空间的话，明显一个inode 不能完全记录这个文件存储位置指针。为此记录区块的区域定义为12个直接、一个间接、一个双间接、一个三间接记录区。这些“间接”就是拿一个区块来作为记录区来使用的“记录区”，这些就是延伸出来的“记录区”。

• 12个直接记录区：直接指向真实内容 block 号码。
• 间接记录区：指向 block1，block1 记录了真实内容的block号码。
• 双间接记录区：指向 block1，这个 block1 指向一个 block2，block2 记录了真实内容的 block 号码。
• 三间接记录区：指向 block1，这个 block1 指向一个 block2，block2 指向 block3，block3 记录了真实内容的 block 号码。

Linux 文件类型

Linux 支持很多文件类型，其中非常重要的文件类型有: 普通文件，目录文件，链接文件，设备文件，管道文件，Socket 套接字文件 等。

• 普通文件（-）：用于存储信息和数据， Linux 用户可以根据访问权限对普通文件进行查看、更改和删除。比如：图片、声音、PDF、text、视频、源代码等等。
• 目录文件（d，directory file）：目录也是文件的一种，用于表示和管理系统中的文件，目录文件中包含一些文件名和子目录名。打开目录事实上就是打开目录文件。
• 符号链接文件（l，symbolic link）：保留了指向文件的地址而不是文件本身。
• 字符设备（c，char）：用来访问字符设备比如键盘。
• 设备文件（b，block）：用来访问块设备比如硬盘、软盘。
• 管道文件（p，pipe） : 一种特殊类型的文件，用于进程之间的通信。
• 套接字文件（s，socket）：用于进程间的网络通信，也可以用于本机之间的非网络通信。

每种文件类型都有不同的用途和属性，可以通过命令如 ls、file 等来查看文件的类型信息。

# 普通文件（-）
-rw-r--r--  1 user  group  1024 Apr 14 10:00 file.txt

# 目录文件（d，directory file）*
drwxr-xr-x  2 user  group  4096 Apr 14 10:00 directory/

# 套接字文件(s，socket)
srwxrwxrwx  1 user  group    0 Apr 14 10:00 socket

Linux 目录树

Linux 使用一种称为目录树的层次结构来组织文件和目录。目录树由根目录（/）作为起始点，向下延伸，形成一系列的目录和子目录。每个目录可以包含文件和其他子目录。结构层次鲜明，就像一棵倒立的树。

常见目录说明：

• /bin： 存放二进制可执行文件(ls、cat、mkdir 等)，常用命令一般都在这里；
• /etc： 存放系统管理和配置文件；
• /home： 存放所有用户文件的根目录，是用户主目录的基点，比如用户 user 的主目录就是/home/user，可以用~user 表示；
• /usr： 用于存放系统应用程序；
• /opt： 额外安装的可选应用程序包所放置的位置。一般情况下，我们可以把 tomcat 等都安装到这里；
• /proc： 虚拟文件系统目录，是系统内存的映射。可直接访问这个目录来获取系统信息；
• /root： 超级用户（系统管理员）的主目录（特权阶级^o^）；
• /sbin: 存放二进制可执行文件，只有 root 才能访问。这里存放的是系统管理员使用的系统级别的管理命令和程序。如 ifconfig 等；
• /dev： 用于存放设备文件；
• /mnt： 系统管理员安装临时文件系统的安装点，系统提供这个目录是让用户临时挂载其他的文件系统；
• /boot： 存放用于系统引导时使用的各种文件；
• /lib 和/lib64： 存放着和系统运行相关的库文件 ；
• /tmp： 用于存放各种临时文件，是公用的临时文件存储点；
• /var： 用于存放运行时需要改变数据的文件，也是某些大文件的溢出区，比方说各种服务的日志文件（系统启动日志等。）等；
• /lost+found： 这个目录平时是空的，系统非正常关机而留下“无家可归”的文件（windows 下叫什么.chk）就在这里。

Linux 有哪些系统日志文件

比较重要的是 /var/log/messages 日志文件。该日志文件是许多进程日志文件的汇总，从该文件可以看出任何入侵企图或成功的入侵。

另外，如果系统里有 ELK 日志集中收集，它也会被收集进去。

RAID 是什么

RAID 全称为独立磁盘冗余阵列(Redundant Array of Independent Disks)，基本思想就是把多个相对便宜的硬盘组合起来，成为一个硬盘阵列组，使性能达到甚至超过一个价格昂贵、容量巨大的硬盘。

RAID 通常被用在服务器电脑上，使用完全相同的硬盘组成一个逻辑扇区，因此操作系统只会把它当做一个硬盘。

RAID 分为不同的等级，各个不同的等级均在数据可靠性及读写性能上做了不同的权衡。在实际应用中，可以依据自己的实际需求选择不同的 RAID 方案。

• RAID0：RAID0 是一种非常简单的的方式，它将多块磁盘组合在一起形成一个大容量的存储。当我们要写数据的时候，会将数据分为N份，以独立的方式实现N块磁盘的读写，那么这N份数据会同时并发的写到磁盘中，因此执行性能非常的高。
• RAID1：磁盘阵列中单位成本最高的一种方式。因为它的原理是在往磁盘写数据的时候，将同一份数据无差别的写两份到磁盘，分别写到工作磁盘和镜像磁盘，那么它的实际空间使用率只有50%了，两块磁盘当做一块用，这是一种比较昂贵的方案。
• RAID3：将数据按照RAID0的形式，分成多份同时写入多块磁盘，但是还会另外再留出一块磁盘用于写奇偶校验码。例如总共有N块磁盘，那么就会让其中额度N-1块用来并发的写数据，第N块磁盘用记录校验码数据。一旦某一块磁盘坏掉了，就可以利用其它的N-1块磁盘去恢复数据。
• RAID5：不再需要用单独的磁盘写校验码了。它把校验码信息分布到各个磁盘上。例如，总共有N块磁盘，那么会将要写入的数据分成N份，并发的写入到N块磁盘中，同时还将数据的校验码信息也写入到这N块磁盘中（数据与对应的校验码信息必须得分开存储在不同的磁盘上）。一旦某一块磁盘损坏了，就可以用剩下的数据和对应的奇偶校验码信息去恢复损坏的数据。
• RAID10：兼备了RAID1和RAID0的有优点。首先基于RAID1模式将磁盘分为2份，当要写入数据的时候，将所有的数据在两份磁盘上同时写入，相当于写了双份数据，起到了数据保障的作用。且在每一份磁盘上又会基于RAID0技术讲数据分为N份并发的读写，这样也保障了数据的效率。