2009年2月25日星期三

磁盘与文件系统

目前,UNIX的文件系统有很多种实现,例如UFS(基于BSD的UNIX文件系统)、ext3、ext4、ZFS和Reiserfs等等。

不论哪一种文件系统,总是需要存储数据。硬盘的最小存储单位是扇区,数据所存储的最小单位则不是扇区,因为用扇区来存储效率就太低了。一个扇区只有512字节,而磁头是一个扇区一个扇区地读取,也就是说,如果文件是10MB,那么为了读这个文件,磁头必须要进行读取20480次。这样效率是极其低下的。


逻辑块

为了提高效率,就有了逻辑块(Block)的概念,也可以叫做数据块。逻辑块是在分区进行文件系统的格式化时所指定的"最小存储单位",这个最小存储单位是以扇区为基础的,所以逻辑块的大小总是扇区的2的n次方倍。此时,磁头可以一次读取一个块,这样效率可就高了!

逻辑块的规划是很有学问的,并不是越大越好,因为一个逻辑块最多也只能容纳一个文件(在Linux的ext2中),所以如果逻辑块被规划的太大,那么会很浪费磁盘空间。举个例子,如果一个逻辑块为4KB,而有一个文件只有0.1KB大小,而这个小文件仍然要占用一个逻辑块,因此就会浪费3.9KB的空间。

所以,在规划磁盘时,需要考虑到主机的用途。比如BBS主机,由于文章短小,文件较小,那么逻辑块分配的小一点好。如果主机主要用在存储大容量的文件,那么考虑到使用效率,还是逻辑块大一点好!

磁盘的组成

我们可以把一个磁盘分成一个或多个分区。每个分区可以包含一个文件系统。

我们下面要描述一个分层细化的过程,请您集中精力来随我思考:

1 磁盘是由一个一个分区组成的,即磁盘=分区+分区+分区…

2 每一个分区内都有一个文件系统,且一个分区内有且仅有一个文件系统。

3
每个分区内都依次包含这些内容:自举块(也叫引导块),超级块,柱面组0,柱面组1,…柱面组n。即分区=自举块+超级块+柱面组(若干)

4
每个柱面组又包括了这些内容:超级块副本,配置信息,i节点图(记录哪些i节点可用),块位图(记录哪些块是否可用),i节点(许多),数据块(也叫逻辑块)

好了,你应该可以根据1,2,3,4在脑海里构造出一张分层图了,如果你把它画出来,对你记忆i节点的概念会更有好处。

超级块

超级块(superblock)的作用是存储文件系统的大小、空的和填满的块,以及它们各自的总数和其他诸如此类的信息。要使用一个分区来进行数据访问,那么第一个要访问的就是超级块。所以,如果超级块坏了,那磁盘也就基本没救了。

i节点

下面要讲到i节点,就不能不提提Linux的安全性。由于Linux操作系统是一个多用户、多任务的环境,为了保护每个用户所拥有数据的隐密性,就将每个文件分成了两个部分来存储:一个是文件的属性,另一个则是文件的内容。

i节点(iinode)就是用来存储文件的属性的;而数据块(逻辑块)是用来存储文件的内容的!

如果要格式化一个分区,就要指定inode的大小和块的大小才行!更通俗的说,一个ext2文件系统是一定要包括inode表与块区域这两个部分的!

至于块,我在前面提到过,它也叫逻辑块,还叫数据块,它是数据存储的最小单位。

而inode"记录文件属性以及文件内容放置在哪一个块内"的信息,更通俗的说,inode除了包含文件的属性之外,还包括一个指针,这个指针就指向文件内容放置的数据块的位置,好让操作系统可以方便的去读取文件内容。

在inode中一般包括了这样一些文件属性信息:
文件的拥有者和所属用户组;
文件的访问权限设定;
文件的类型;
文件的访问、修改等时间
文件的大小;
文件的各种标志,如SUID和SGID等;
指向文件内容数据块的指针。

一个inode的大小通常为128字节。(在ext4中这个知识将被颠覆,ext4中的inode大小将扩展到256字节)

好,下面就来看看到底我们怎么利用inode来管理文件呢?

目录

先来看看有关目录操作的细节:

如果我们建立了一个目录,那么系统会分配给该目录一个inode和至少一个块。这个inode就记录该目录的相关属性,并将其中的指针指向分配的那个数据块。而所分配的块内则记录了这个目录下的相关文件(和子目录)的关联性,更通俗的说,目录块中存储了一个包括三列的表,三列分别为:inode,文件名或目录名,指向数据块的指针。

我们用vi命令来查看一下一个目录的内容到底是什么:(当然这只是用户看到的,和文件系统的底层实现是不同的。)
"
============================================================================
" Netrw Directory Listing (netrw
v109)
" /rocrocket/PSB/home/git27
" Sorted by name
" Sort sequence:
[\/]$,\.h$,\.c$,\.cpp$,\.[a-np-z]$,*,\.info$,\.swp$,\.o$\.obj$,\.bak$
" Quick Help: <F1>:help -:go up dir D:delete R:rename s:sort-by
x:exec
"
============================================================================
../
./
.git/
roc.c

双引号开头的是注释部分,而后紧跟着四个项,前两个是任何目录都固有的"上级目录"和"当前目录",而后是一个隐藏目录.git,最后是一个当前目录下的文件roc.c。可见,一个目录其实也是一个文件,只不过它其中不存储用户数据,而是存储目录下的文件和子目录列表。

如果在Linux中新建一个普通文件,则系统会为该文件分配至少一个inode与相对于该文件大小的块数量。例如,假设一个块为4KB,要建一个100KB的文件,则Linux将分配一个inode与25个块来存储该文件。

有一点要特别!特别!特别!提醒的是:inode本身并不记录文件名,而是记录文件的相关的属性(在上文提到过的那些属性),文件名则记录在目录所属的块区域。正因为这个原因,使得如果Linux读取一个文件的内容,就要先由根目录/获取该文件的上层目录所在的inode,再由该目录所记录的的文件关联性获取该文件的inode,最后通过inode内提供的块指针来获取最终的文件内容。

链接计数

而当谈到链接数的时候,这里我还要提出一些概念和几个规律性的结论:

每个i节点中都存有一个链接计数,其值是指向该i节点的目录项数。

只有当链接技术减少到0时,才可删除该文件(也就是释放该文件占有的数据块)

能够增加链接数的链接为硬链接。

软链接也叫符号链接,它的inode的文件类型是S_IFLNK。它只是存储了另一个文件的路径和名称而已。

任何一个叶目录(不包含任何其他目录的目录)的链接计数总是2,数值2来自于命名该目录的目录项以及在该目录中的.项。

父目录中的每一个子目录都会使该父目录的链接计数增1。

精彩引文

最后给出csdn网上qxp网友的一段关于软链接和硬链接的评论,很不错:

我们知道unix文件大致可以分为这样三部分:目录(文件名),inode 和数据区。

对于复制来说,不仅仅创建了新的目录项(文件名),新的inode,还复制了该文件的所有数据;

而硬连结则仅仅创建了新的目录项,并且在目录项中相应的inode编号被连结到相应的文件的inode编号,同时,该文件的inode引用计数加1;

这样,你删除原来的文件时候,文件数据并不会被删除,因为inode结点引用计数>0,所以,通过硬连结还能继续访问。

换句话说,硬连接使得该文件存在另外一个别名,也就是另外一个入口。

顺便说一下软连结,就是符号连结,其实就相当于是windows下的快捷方式。

创建了一个新的目录项,一个新的inode,只不过数据区里放的是被引用的文件路径和名称。

关于inode和目录的一点优秀评论:一个文件系统维护了一个索引节点的数组,每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一的元素对应。每个索引节点在数组中的索引号,称为索引节点号。linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中,所以,目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表,目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。

参考文献

本文参考《鸟哥的Linux私房菜》和《UNIX高级环境编程》;

更多信息可以查看:
http://baike.baidu.com/view/1097021.htm
http://security.zdnet.com.cn/security_zone/2008/1218/1284126.shtml

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