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Linux文件系统详解
硬盘是用来存储数据的,可以将其想象成柜子,只不过柜子是用来存储衣物的。新买来的硬盘,通常要对其进行分区并格式化,分区就如同把一个大柜按照要求分割成几个小柜子(组合衣柜);格式化就好比在每个小柜子中打入隔断,决定每个隔断的大小和位置,然后在柜门上贴上标签,标签中写清楚每件衣服保存的隔断的位置和这件衣服的一些特性(比如衣服是谁的,衣服的颜色、大小等)。
很多初学者认为,对硬盘进行格式化,只是清除了硬盘中的数据,其实不然,格式化过程中还向硬盘中写入了文件系统。因为不同的操作系统,管理系统中文件的方式也不尽相同(给文件设定的属性和权限也不完全一样),因此,为了使硬盘有效存放当前系统中的文件数据,就需要将硬盘进行格式化,令其使用和操作系统一样(或接近)的文件系统格式。
早期的 Linux 使用 Ext2 文件系统格式,CentOS 5.x 默认使用 Ext3,本教程中所用的 CentOS 6.x 默认使用 Ext4,而目前最新的 CentOS 7.x 默认使用 xfs 格式。
不同的文件系统,其运作模式和操作系统的文件数据有关。拿 Linux 操作系统中的文件为例,文件数据不仅包括文件中的内容,还包含非常多的文件属性,例如文件的 rwx 权限以及文件所有者、所属组、创建时间等。
通常情况下,文件系统会将文件的实际内容和属性分开存放:
由此我们可以推断出,只要能找到文件 inode 所在的位置,自然就能知道这个文件存放数据的 block 号,从而找到文件的实际数据。整个过程如图 1 所示。
图 1 文件系统的数据存取示意图
图 1 中,文件系统先格式化出 inode 和 block 块,假设某文件的权限和属性信息存放到 inode 4 号位置,这个 inode 记录了实际存储文件数据的 block 号有 4 个,分别为 2、7、13、15,由此,操作系统就能快速地找到文件数据的存储位置。
这种管理文件的系统称为索引式文件系统,Linux 文件系统(Ext 系列)就属于索引式文件系统。
本小节的内容基于底层,不是很好理解。如果大家实在看不明白,也没有关系,这一小节的内容并不影响对 Linux 的操作和使用,也不影响我们后面的学习。
很多初学者认为,对硬盘进行格式化,只是清除了硬盘中的数据,其实不然,格式化过程中还向硬盘中写入了文件系统。因为不同的操作系统,管理系统中文件的方式也不尽相同(给文件设定的属性和权限也不完全一样),因此,为了使硬盘有效存放当前系统中的文件数据,就需要将硬盘进行格式化,令其使用和操作系统一样(或接近)的文件系统格式。
各操作系统使用的文件系统并不相同,例如,Windows 98 以前的微软操作系统使用 FAT(FAT16)文件系统,Windows 2000 以后的版本使用 NTFS 文件系统,而 Linux 的正统文件系统是 Ext2。
既然格式化的真实目的是为了写入文件系统,那么,Linux 中的文件系统到底是什么,又是如何运作的呢?早期的 Linux 使用 Ext2 文件系统格式,CentOS 5.x 默认使用 Ext3,本教程中所用的 CentOS 6.x 默认使用 Ext4,而目前最新的 CentOS 7.x 默认使用 xfs 格式。
Ext4 是 Ext3(Ext2) 文件系统的升级版,在性能、伸缩性和可靠性方面进行了大量改进,变化可以说是翻天覆地的,比如:由于 xfs 文件系统不是这里的重点,因为有关 xfs 文件系统,这里不做深入介绍,感兴趣的读者可自行搜索相关资料。
- 向下兼容 Ext3;
- 最大 1EB 文件系统和 16TB 文件;
- 无限数量子目录;
- Extents 连续数据块概念;
- 多块分配、延迟分配、持久预分配;
- 快速 FSCK、日志校验、无日志模式、在线碎片整理、inode 增强、默认启用 barrier 等;
不同的文件系统,其运作模式和操作系统的文件数据有关。拿 Linux 操作系统中的文件为例,文件数据不仅包括文件中的内容,还包含非常多的文件属性,例如文件的 rwx 权限以及文件所有者、所属组、创建时间等。
通常情况下,文件系统会将文件的实际内容和属性分开存放:
- 文件的属性保存在 inode 中(i 节点)中,每个 inode 都有自己的编号。每个文件各占用一个 inode。不仅如此,inode 中还记录着文件数据所在 block 块的编号;
- 文件的实际内容保存在 block 中(数据块),类似衣柜的隔断,用来真正保存衣物。每个 block 都有属于自己的编号。当文件太大时,可能会占用多个 block 块。
- 另外,还有一个 super block(超级块)用于记录整个文件系统的整体信息,包括 inode 和 block 的总量、已经使用量和剩余量,以及文件系统的格式和相关信息等。
由此我们可以推断出,只要能找到文件 inode 所在的位置,自然就能知道这个文件存放数据的 block 号,从而找到文件的实际数据。整个过程如图 1 所示。
图 1 文件系统的数据存取示意图
图 1 中,文件系统先格式化出 inode 和 block 块,假设某文件的权限和属性信息存放到 inode 4 号位置,这个 inode 记录了实际存储文件数据的 block 号有 4 个,分别为 2、7、13、15,由此,操作系统就能快速地找到文件数据的存储位置。
这种管理文件的系统称为索引式文件系统,Linux 文件系统(Ext 系列)就属于索引式文件系统。
注意,inode 节点并不存储文件的文件名,因为文件名是文件所在目录的数据,所以会保存在上一级目录的 block 块中。前面章节在讲权限命令的时候说过,要对文件的上一级目录拥有 w 权限,才能删除目录中的文件,就是因为文件名是保存在目录的 block 中的。
Linux支持的常见文件系统
Linux 系统能够支持的文件系统非常多,除 Linux 默认文件系统 Ext2、Ext3 和 Ext4 之外,还能支持 fat16、fat32、NTFS(需要重新编译内核)等 Windows 文件系统。也就是说,Linux 可以通过挂载的方式使用 Windows 文件系统中的数据。Linux 所能够支持的文件系统在 "/usr/src/kemels/当前系统版本/fs" 目录中(需要在安装时选择),该目录中的每个子目录都是一个可以识别的文件系统。我们介绍较为常见的 Linux 支持的文件系统,如表 1 所示。文件系统 | 描 述 |
---|---|
Ext | Linux 中最早的文件系统,由于在性能和兼容性上具有很多缺陷,现在已经很少使用 |
Ext2 | 是 Ext 文件系统的升级版本,Red Hat Linux 7.2 版本以前的系统默认都是 Ext2 文件系统。于 1993 年发布,支持最大 16TB 的分区和最大 2TB 的文件(1TB=1024GB=1024x1024KB) |
Ext3 | 是 Ext2 文件系统的升级版本,最大的区别就是带日志功能,以便在系统突然停止时提高文件系统的可靠性。支持最大 16TB 的分区和最大 2TB 的文件 |
Ext4 | 是 Ext3 文件系统的升级版。Ext4 在性能、伸缩性和可靠性方面进行了大量改进。Ext4 的变化可以说是翻天覆地的,比如向下兼容 Ext3、最大 1EB 文件系统和 16TB 文件、无限数量子目录、Extents 连续数据块 概念、多块分配、延迟分配、持久预分配、快速 FSCK、日志校验、无日志模式、在线碎片整理、inode 增强、默认启用 barrier 等。它是 CentOS 6.3 的默认文件系统 |
xfs | 被业界称为最先进、最具有可升级性的文件系统技术,由 SGI 公司设计,目前最新的 CentOS 7 版本默认使用的就是此文件系统。 |
swap | swap 是 Linux 中用于交换分区的文件系统(类似于 Windows 中的虚拟内存),当内存不够用时,使用交换分区暂时替代内存。一般大小为内存的 2 倍,但是不要超过 2GB。它是 Linux 的必需分区 |
NFS | NFS 是网络文件系统(Network File System)的缩写,是用来实现不同主机之间文件共享的一种网络服务,本地主机可以通过挂载的方式使用远程共享的资源 |
iso9660 | 光盘的标准文件系统。Linux 要想使用光盘,必须支持 iso9660 文件系统 |
fat | 就是 Windows 下的 fatl6 文件系统,在 Linux 中识别为 fat |
vfat | 就是 Windows 下的 fat32 文件系统,在 Linux 中识别为 vfat。支持最大 32GB 的分区和最大 4GB 的文件 |
NTFS | 就是 Windows 下的 NTFS 文件系统,不过 Linux 默认是不能识别 NTFS 文件系统的,如果需要识别,则需要重新编译内核才能支持。它比 fat32 文件系统更加安全,速度更快,支持最大 2TB 的分区和最大 64GB 的文件 |
ufs | Sun 公司的操作系统 Solaris 和 SunOS 所采用的文件系统 |
proc | Linux 中基于内存的虚拟文件系统,用来管理内存存储目录 /proc |
sysfs | 和 proc —样,也是基于内存的虚拟文件系统,用来管理内存存储目录 /sysfs |
tmpfs | 也是一种基于内存的虚拟文件系统,不过也可以使用 swap 交换分区 |
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