【Linux基础IO】从零到一：文件管理系统深度探索

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前言：在Linux操作系统的广阔世界中，文件管理无疑是基石之一，它支撑着整个系统的稳定运行与高效运作。无论是日常办公、软件开发、服务器管理还是大数据处理，都离不开对文件系统的深入理解和熟练操作。因此，掌握Linux基础IO中的文件管理技能，对于每一个Linux用户、系统管理员以及开发者而言，都是至关重要的

Linux的文件系统以其强大的灵活性、可扩展性和安全性而闻名于世。它不仅支持多种类型的文件系统，如经典的ext系列、高性能的xfs、以及面向未来的btrfs等，还提供了丰富的工具和命令，用于文件的创建、删除、查找、编辑以及磁盘空间的管理。这些工具和命令构成了Linux文件管理的基石，使得用户能够高效、灵活地处理各种文件操作任务

本文旨在为读者提供一个全面而深入的Linux基础IO中文件管理的学习指南。通过本文的学习，读者将能够掌握Linux文件系统的基本原理

让我们一同踏上这段学习之旅，探索Linux文件管理的奥秘吧！

📒1. 文件管理系统

Linux文件管理的概念涉及对Linux操作系统中存储的数据（即文件）进行组织、访问、保护、移动、备份和恢复的一系列操作和方法。Linux的文件系统是其核心组成部分之一，它提供了一种结构化的方式来存储和访问存储在硬盘上的数据

文件的管理：

• 管理被打开的文件
• 在磁盘中管理没有被打开的文件

管理没有被打开的文件的核心操作是：快速定位文件

文件 = 属性 + 内容

文件存放在磁盘中，方便OS/用户对文件进行管理

磁盘 <- -> 硬件层面 <- -> 物理存储结构
逻辑抽象 <- -> 逻辑存储结构 (OS管理磁盘)
OS + 文件系统 --> 软硬链接

📚2. 磁盘

磁盘是计算机系统中用于存储数据的重要部件，它通过磁头和盘面间的交流读取数据

盘面可以来存储数据，通过磁头来被读取

盘面俯视图：

图中的每一圈环状图形被称为磁道，磁道中每一块小扇形则被称为扇区，一个盘面可以有很多同心磁道，一圈磁道也可以有很多扇区

扇区是磁盘中的最小存储单元 — 512字节（部分4KB）

基本构成

• 磁盘：硬盘中真正用来存储信息的部分，外观如圆盘，中间有孔供马达运转轴通过。硬盘的磁盘数量一般至少有一个，常见的尺寸有3.5英寸、2.5英寸等，不同尺寸的磁盘适用于不同的设备
• 磁头：负责读写数据的部件，能够感应磁盘上的磁性变化，从而读取或写入数据。磁头的质量对硬盘性能有重要影响

往扇区写入数据，我们需要先判断写入磁盘面的那一面，在选择盘面的哪个磁道，最后确定在磁道的哪个扇区 -> 这就是CHS定位法

磁盘存储的逻辑抽象结构

磁带也是磁盘的一种，在磁带圈起来时，就类似一个盘面。将其拉直展开，可以抽象的分成由多个磁道构成的线性数组，可以在细化成由扇区为单位组成的数组

注意：操作系统也可以按照扇区为单位进行存取，也可以基于文件系统按照块为单位进行数据 存取

对磁盘的管理，就抽象的变成了对数组的管理

📜3. 文件管理

块组（Block Group）是文件系统中用于组织和管理磁盘空间的一种结构，尤其在像Ext4这样的文件系统中广泛使用。块组的主要目的是提高文件系统的性能、可靠性和管理效率

关于文件：

• 在Linux中文件的内容和属性是分开存储的
• 在块组中文件信息分为文件基本信息和对应文件的管理信息
• inode在整个分区中具有唯一性，在Linux内核中，识别文件，和文件名无关，之和inode有关

🌞inode

inode是Unix/Linux系统中用于存储文件元信息的数据结构，中文译名为“索引节点”。它是文件系统中的一个核心组件，提供了对文件的快速定位和管理功能

那么到底什么是inode，我们通过Linux操作系统来看一下，我们先创建几个文件和目录，然后输入指令 ls -li

文件属性多了一串数字，而这些属性就是inode，保存文件属性也是通过inode保存的

inode的基本概念

• 定义：inode是文件系统中的一种数据结构，用于存储文件的元信息，如文件名、文件大小、文件权限、文件所有者等。这些元信息对于文件系统的管理和操作至关重要
• 功能：inode的主要功能是作为文件的索引，通过它可以快速定位到文件的数据块，从而实现文件的快速访问和管理

• i节点表：存放文件属性 如 文件大小，所有者，最近修改时间等
• Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。政府管理各区的例子
• GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息

• 块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用

比特位的位置表示block编号，来判断对用位置block是否被使用

• inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用

• 数据区：存放文件内容

• 超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息，Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了

创建一个新文件主要有一下4个操作：

• 1. 存储属性
     内核先找到一个空闲的i节点（这里是263466）。内核把文件信息记录到其中
• 2. 存储数据
     该文件需要存储在三个磁盘块，内核找到了三个空闲块：300,500，800。将内核缓冲区的第一块数据复制到300，下一块复制到500，以此类推
• 3. 记录分配情况
     文件内容按顺序300,500,800存放。内核在inode上的磁盘分布区记录了上述块列表
• 4. 添加文件名到目录

新的文件名abc。linux如何在当前的目录中记录这个文件？内核将入口（263466，abc）添加到目录文件。文件名和inode之间的对应关系将文件名和文件的内容及属性连接起来

⭐如何理解目录

• 目录内部直接保存文件的文件名和映射关系
• 修改文件的本质就是修改文件的映射关系
• 在Linux中，文件名不属于文件属性

挂载：mount

mount命令的基本语法为mount [选项] [-t 文件系统类型] 设备文件名 挂载点。该命令用于将文件系统挂载到指定的目录上

磁盘空间管理：df

df命令：用于显示文件系统的磁盘空间占用情况。例如，df -h以易读的格式显示磁盘使用情况

df -h

📝4. 软链接与硬链接

在Linux文件系统中，链接（Link）是一种将文件名与实际文件数据关联的机制。链接主要分为两种类型：硬链接（Hard Link）和软链接（Symbolic Link），也称为符号链接

软链接

软链接是一个特殊的文件，内容是指向另一个文件或目录的路径。软链接类似于Windows系统中的快捷方式

指令：使用ln -s命令创建软链接，命令格式为ln -s 原文件或目录 软链接文件或目录

硬链接

硬链接是指多个文件名指向同一个文件的数据块，表示一组映射关系，即它们共享相同的inode编号。硬链接相当于为同一文件创建了别名

inode内部有引用计数，表示有几个文件名映射关系

指令：使用ln命令创建硬链接，命令格式为ln 原文件 硬链接文件

软链接是一个独立的文件，硬链接不是，因为硬链接没有独立的inode编号

硬链接与软链接的区别

在建立硬链接时，我们不允许对目录进行链接，因为硬链接的inode与原文件共享，这样我们在查找文件的时候，可能会造成环形路径，而无法结束

acm

下面解释一下文件的三个时间：

• Access 最后访问时间
• Modify 文件内容最后修改时间
• Change 属性最后修改时间

📖5. 总结

在探索Linux基础IO（输入输出）中的文件管理的旅程即将告一段落之际，我们不禁要感慨这一领域所蕴含的深厚底蕴与无限可能。文件管理，作为Linux操作系统的核心功能之一，不仅仅是简单地创建、删除、移动文件那么直接，它更是系统资源管理、数据安全、乃至高效编程的基石

我们也窥见了Linux文件系统中硬链接与软链接（符号链接）的奥秘，它们以不同的方式指向文件系统中的对象，为文件共享与快捷方式提供了强大的机制。而对于更高级的文件系统特性，如挂载点、文件系统类型（如ext4）及其特性，我们也有了初步的认识，这些知识对于管理大规模数据、优化存储性能至关重要

希望每一位学习者保持好奇心和求知欲，继续深入探索Linux的广阔天地！

希望本文能够为你提供有益的参考和启示，让我们一起在编程的道路上不断前行！
谢谢大家支持本篇到这里就结束了，祝大家天天开心！