【Linux系统】理解硬件 | 引入文件系统

在基础IO中我们详细介绍了文件存储在文件描述符表中，也就是被打开的文件会被文件描述符表管理起来，那未被打开的文件存储在哪里呢？是怎么被找到的呢？这些问题我们会在后文中给出解释

1. 理解硬件

1.1 磁盘、服务器、机柜、机房

1. 磁盘（机械磁盘）

• 是计算机中唯一的机械设备：机械磁盘是计算机系统中唯一的机械设备，因为它包含盘片、磁头等物理运动部件，而其他组件（如CPU或内存）是纯电子设备。这使其在计算机中独特，但也导致其速度较慢。
• 是外设：磁盘被归类为外部存储设备（外设），因为它位于计算机主系统之外，负责永久性数据存储，与内存等内部组件不同。作为外设，它通过接口（如SATA）与主机连接。
• 慢：机械磁盘的读写速度较慢，主要原因是其机械结构：盘片需要旋转（由马达驱动），磁头需要物理移动来定位数据。这导致延迟较高（毫秒级），远低于固态硬盘或内存的速度。企业虽常用其存储数据，但其性能是瓶颈之一。
• 容量大，价格便宜：机械磁盘的存储容量大（常见从数百GB到数TB），且单位存储成本低，适合存储大量数据（如企业备份或冷数据）。价格优势源于成熟技术和磁性材料的使用，而固态硬盘虽快但成本更高。

2. 服务器

• 服务器是高性能计算机，用于运行应用和服务（如网站或数据库）。它们通常安装在机柜中，并放置在机房内。服务器运行时产生大量热量，需要高效散热（如风扇或空调），且依赖稳定电力供应以避免中断。
  • 服务器“运行起来就不会轻易关闭”，因此机房需确保散热和电力稳定。
  • 服务器机架和机柜行业涉及这些设备的部署和管理。

3. 机柜

• 机柜（或机架）是用于集中存放和保护服务器、网络设备等的物理框架。它提供结构支撑、散热管理和电缆整理功能。机柜的设计影响设备密度和散热效率，是企业数据中心的基础设施。
  • 机柜行业专注于优化这些设备，以支持高密度服务器部署。

4. 机房

• 机房是专门设计用于放置服务器、机柜等设备的房间。关键考虑因素包括：
  • 散热效果：服务器运行时发热量大，必须通过空调、通风系统等散热管理，防止设备过热损坏或性能下降。
  • 电力供应：需要稳定且冗余的电力（如UPS或发电机），避免停电导致数据丢失或服务中断。
  • 机房建设成本高，但对企业至关重要，尤其用于数据中心。

题外话

1. 关于机房：如上所述，机房的核心需求是散热和电力。详细解释了原因：服务器热量积累可能导致硬件故障，而电力中断会引发服务不可用。因此，机房位置需优先考虑这些因素，以确保设备可靠运行。
2. 关于磁盘和磁铁：磁盘使用磁性材料存储数据，类似于磁铁原理。说明磁盘“用磁来存储”，盘片上的磁性颗粒通过磁头（电磁铁）改变极性（N/S极）来记录0/1二进制数据。删除数据时，磁性状态未立即改变，因此数据可恢复。磁盘“由亿个小磁铁构成”，磁头通过改变NS极与计算机交互。磁头“充放电改变盘面南北极”写入数据，但磁头与盘面不直接接触，以防刮伤。磁盘在某些语境中被称为“磁盘”，因其磁性存储本质。

总结

• 机械磁盘是计算机唯一的机械设备和外设，以容量大、价格便宜为优势，但速度慢。
• 服务器是核心计算设备，依赖机柜和机房环境。
• 机柜提供物理支撑和散热，机房确保稳定运行环境（散热和电力）。
• 磁盘的磁性存储原理类似磁铁，利用极性变化记录数据。

1.2 磁盘物理结构

1. 盘片（Platter）

   • 由铝制或玻璃基板覆盖磁性材料制成（如铁磁性涂层），用于存储数据 。
   • 多个盘片叠放组成磁盘组，围绕主轴高速旋转（典型转速为5400/7200/15000 RPM） 。

2. 磁头（Read/Write Head）

   • 每个盘面对应一个磁头，采用“读写合一”的电磁感应设计：
     • 写入磁头：传统感应式，通过电流改变磁性颗粒极性（N/S极） 。
     • 读取磁头：现代磁盘多使用MR（磁阻）磁头，灵敏度更高 。
   • 磁头悬浮于盘面纳米级高度（不直接接触），通过传动臂移动定位 。

3. 传动系统（Actuator Assembly）

   • 传动臂：承载磁头，沿盘片半径方向移动，定位目标磁道 。
   • 电动机：驱动主轴旋转盘片，保持恒定转速 。

1. 磁道（Track）

   • 盘片表面的同心圆环，数据沿磁道存储 。
   • 相邻磁道间保留间隙（避免磁性干扰） 。

2. 扇区（Sector）

   • 磁道被等分的弧段，是最小读写单元（传统大小为512B，现代磁盘支持4KB） 。
   • 每个扇区含数据区（存储数据）和间隙区（标识扇区边界） 。

3. 柱面（Cylinder）

   • 所有盘面上相同半径的磁道组成的圆柱体（如0号磁道在所有盘面构成0号柱面） 。
   • 数据读写优化：同一柱面的数据无需移动传动臂即可通过切换磁头访问，减少寻道时间 。

1.4 磁盘的工作机制

1. 数据读写流程

   • 寻道（Seeking） ：传动臂移动磁头至目标磁道（耗时3~15ms） 。
   • 旋转延迟（Rotation） ：盘片旋转至目标扇区下方（耗时2~4ms） 。
   • 数据传输：磁头读取/写入数据（速度极快，可忽略） 。

2. 数据存储顺序

   • 柱面优先：先写满同一柱面的所有磁道（切换磁头），再移动至下一柱面（移动传动臂） 。
   • 扇区顺序：同一磁道按扇区编号顺序写入 。

3. 性能瓶颈

   • 机械延迟：寻道与旋转延迟占访问时间90%以上（合计5~15ms），远低于内存/CPU的纳秒级速度 。
   • 优化策略：
     • 批量读写连续扇区（减少寻道次数） 。
     • 磁盘调度算法（如电梯算法）优化磁头移动路径 。

如何定位一个扇区呢？

一、扇区定位的核心原理：CHS寻址

CHS寻址（Cylinder-Head-Sector）是一种通过物理坐标定位磁盘扇区的方法，其核心步骤如下：

1. 定位磁头（Head） ：选择具体盘面。
   • 每个盘面对应一个磁头（双面盘片有2个磁头），磁头号从0开始编号（如0号磁头对应上盘面）。
2. 定位柱面（Cylinder） ：确定磁道位置。
   • 所有盘面上相同半径的磁道构成一个柱面，编号从外圈向内递增（最外圈为0号柱面）。
   • 传动臂上的磁头共进退，因此同一时刻所有磁头位于同一柱面。
3. 定位扇区（Sector） ：在磁道上精确定位。
   • 每个磁道被划分为多个扇区（通常512字节），扇区编号从1开始（非0）。

示例：CHS地址 (0,0,1) 表示：

• 0号柱面（最外圈磁道）
• 0号磁头（第一个盘面）
• 1号扇区（该磁道起始扇区）

二、CHS寻址的物理基础与数据结构

1. 磁盘物理结构关联性

2. 寻址过程的技术细节

• 物理寻址流程：
  1. 传动臂移动至目标柱面半径位置（耗时3~15ms）。
  2. 激活目标磁头，等待盘片旋转至目标扇区下方（旋转延迟2~4ms）。
  3. 读写数据（纳秒级）。
• 地址表示规则：
  • 柱面号（C）、磁头号（H）、扇区号（S）构成三元组
  • 早期系统用 24位二进制存储CHS：
    • 10位柱面号（最大1024柱面）
    • 8位磁头号（最大256磁头）
    • 6位扇区号（最大63扇区/磁道）。

三、多扇区定位与文件存储的实现

1. 文件数据的物理存储逻辑

• 文件属性与内容均以二进制形式存储，占用一个或多个连续/离散扇区。
• 多扇区定位能力：
  • CHS可定位任意单个扇区，通过组合多个CHS地址即可读写跨扇区文件。
  • 示例：读取占用10个扇区的文件时，操作系统按顺序访问10组CHS地址。

2. 磁盘容量的计算与限制

• 容量公式：

  容量 = 磁头数 × 柱面数 × 每磁道扇区数 × 512字节  
  

  • 举例：256磁头 × 1024柱面 × 63扇区 × 512B ≈ 8.4GB（按1MB=1,000,000B计）。

• CHS的容量瓶颈：

  • 24位地址空间上限仅支持8.4GB（柱面数≤1024，磁头数≤256，扇区数≤63）。
  • 根源：寄存器位数限制（10+8+6）无法表示更大地址。

 以上CHS寻址前提是：每个磁道上有同样数量的扇区 ，早期硬盘上也的确遵循这个。不过随着硬盘容量增加，盘面的数据密度也随之增加，单位面积中理论能容纳的二进制位数量有限。 理论
上，如果保持相同密度的话，盘片外圈能比内圈容纳更多数据。因此硬盘厂商们开始在盘面上将磁道划分出 区块（zone），外圈区块中的磁道可以比内圈区块中的磁道多放入一些扇区。这种方式生产出的硬盘叫 区位记录硬盘（Zone bit recoding, ZBR）

1.5 磁盘的逻辑结构

为解决CHS的容量限制，现代磁盘采用 LBA（Logical Block Addressing）

• 原理：

  • 将整个磁盘抽象为线性扇区数组，扇区从0开始连续编号。
  • 操作系统直接使用LBA号，磁盘控制器自动转换为物理CHS地址

实际上，磁盘的工作原理是这样的：

磁道结构：

将盘面上的单个磁道展开来看：

柱面：

整个磁盘所有盘面的同一个磁道，即柱面展开：

• 每个柱面的磁道包含相同数量的扇区
• 这不就是二维数组吗？

整盘：

整个磁盘本质上是由多张二维扇区表组成的（可以理解为三维数组结构）。

要定位一个扇区需要三步：首先确定柱面位置（Cylinder），然后在选定柱面上确定磁道位置（即磁头位置，Head），最后确定具体扇区（Sector）——这就是CHS寻址方式的由来。

正如我们学习C/C++数组时所了解的，从程序的角度来看，所有数组本质上都是一维结构。

每个扇区都有一个对应的编号，称为LBA（Logical Block Address）地址，实际上就是线性地址。那么，这个LBA地址是如何计算出来的呢？

现代操作系统只需使用LBA（逻辑块地址）即可完成磁盘访问！磁盘固件（包括硬件电路和伺服系统）会自动处理LBA与CHS（柱面-磁头-扇区）地址之间的双向转换，无需操作系统介入。

1.6 CHS && LBA地址

一、CHS 与 LBA 寻址的本质差异

核心矛盾：
CHS 依赖磁盘物理参数（磁头数、柱面数、每磁道扇区数），而不同磁盘参数差异巨大，导致操作系统需适配无数硬件型号。LBA 通过逻辑抽象解决此问题，使上层软件仅关注线性扇区数组

CHS与LBA转换公式：

1. CHS转LBA：

   • 单个柱面扇区数 = 磁头数 × 每磁道扇区数
   • LBA = 柱面号(C) × 单个柱面扇区数 + 磁头号(H) × 每磁道扇区数 + 扇区号(S) - 1
   • 注：扇区号从1开始计数，而LBA地址从0开始编号；柱面和磁道编号均从0开始

示例（Western Digital 硬盘参数：磁盘总磁头数（每柱面磁头数）=16, 每磁道扇区数=63：
CHS (2, 3, 4) → LBA = (2×16×63) + (3×63) + (4-1) = 2016 + 189 + 3 = 2208

1. LBA转CHS：

   • 柱面号(C) = LBA ÷ 单个柱面扇区数（取整）
   • 磁头号(H) = (LBA % 单个柱面扇区数) ÷ 每磁道扇区数（取整）
   • 扇区号(S) = (LBA % 每磁道扇区数) + 1

示例（参数同上，LBA=2208）：

• C = 2208 // (16×63) = 2208 // 1008 = 2
• 余数 R1 = 2208 % 1008 = 192
• H = 192 // 63 = 3
• S = (192 % 63) + 1 = 3 + 1 = 4 → CHS (2, 3, 4) 

注意：磁盘内部自动维护总柱面数、磁道数和扇区总数等参数，系统启动时会获取这些信息。

最终结论：

1. CHS 是磁盘物理结构的直接映射，LBA 是面向逻辑的抽象层。
2. 转换公式的数学本质是三维坐标与一维线性空间的映射（受限于磁盘参数）。
3. 现代系统中，磁盘 = 扇区的一维数组，LBA 是数组下标，CHS 仅存在于控制器内部转换层。
4. 操作系统通过 磁盘总磁头数（每柱面磁头数）、每磁道扇区数 等参数初始化磁盘驱动，后续完全使用 LBA 操作设备 。

2. 引入文件系统

2.1 引入"块"概念

其实硬盘是典型的"块"设备，操作系统读取硬盘数据的时候，并不是直接以扇区为单位进行读取的。这是因为现代硬盘的扇区大小通常为512字节（较新的硬盘可能使用4KB扇区），如果以单个扇区为单位进行读取，会导致大量的I/O操作，严重影响系统性能。

为了提高效率，操作系统会一次性连续读取多个扇区，即读取一个"块"（block）。在大多数现代文件系统中：

1. 块大小的典型值为4KB（即8个512字节的扇区）
2. 块是文件系统进行I/O操作的最小单位
3. 块大小在格式化时确定，之后不可更改

从磁盘寻址的角度来看：

• 磁盘可以视为一个三维数组（柱面、磁头、扇区），但为了简化，我们可以将其抽象为一个一维数组
• 每个扇区都有唯一的LBA（Logical Block Addressing）地址
• 块地址可以通过LBA计算得出：
  • 已知LBA求块号：块号 = LBA / 8（当块大小为4KB时）
  • 已知块号求LBA：LBA = 块号 * 8 + n（n表示块内第n个扇区）

2.2 引入"分区"概念

磁盘可以被划分为多个分区（partition），这是对硬盘进行逻辑划分的一种方式。分区的本质是对硬盘的格式化，不同分区可使用不同文件系统（如NTFS、EXT4）。从用户角度来看：

1. 在Windows系统中，分区表现为不同的驱动器（如C:、D:、E:等我们常说的盘）
2. 在Linux系统中，分区表现为特殊的设备文件（如/dev/sda1、/dev/sda2等）

分区的基本原理：

• 分区的最小单位是柱面（由多个磁道组成的圆柱形区域）
• 每个分区通过起始柱面号和结束柱面号来定义
• 分区信息记录在磁盘的分区表中（如MBR或GPT）

从寻址角度来看：

 操作系统通过分区表（如MBR）记录各分区的起止柱面，进而映射到LBA地址。由于柱面大小固定，且每个柱面包含的扇区数相同

1. 只要知道：
   • 分区的起始柱面号
   • 结束柱面号
   • 每个柱面包含的扇区数
2. 就可以计算出：
   • 分区的大小
   • 分区内任意位置的LBA地址

这种分区方式使得磁盘空间管理更加灵活，不同的分区可以使用不同的文件系统，也可以用于不同的用途（如系统分区、数据分区等）。

2.3 引入"inode"概念

在Linux系统中，文件由两部分组成：文件数据（内容）和文件属性（元数据）。当我们使用ls -l命令时，就能看到这些文件属性信息。让我们通过一个更详细的例子来理解：

ltx@hcss-ecs-d90d:~$ ls -l
total 16
-rw-rw-r--  1 ltx  ltx    71 Jul  8 16:45 code.c
drwxrwxr-x  2 ltx  ltx  4096 Jul 20 12:31 Linux_network
drwxrwxr-x 10 ltx  ltx  4096 Jul 23 23:07 Linux_system
drwxr-xr-x  3 root root 4096 Jul  7 14:21 mydir

这个输出实际上展示了7个关键属性：

1. 文件类型和权限（模式）：如"-rw-rw-r--"表示普通文件，所有者可读写，组用户可读写，其他用户只读
2. 硬链接数：表示有多少个文件名指向这个inode
3. 文件所有者：通常是创建该文件的用户
4. 所属组：决定哪些用户可以访问该文件
5. 文件大小：以字节为单位
6. 最后修改时间：文件内容最后一次被修改的时间
7. 文件名：用户可见的文件标识符

ls -l读取存储在磁盘上的文件信息，然后显示出来

更详细的信息可以通过stat命令查看，它展示了文件系统中更底层的元数据：

ltx@hcss-ecs-d90d:~$ stat code.c
  File: code.c
  Size: 71        	Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
Device: fc01h/64513d	Inode: 142886      Links: 1
Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/     ltx)   Gid: ( 1000/     ltx)
Access: 2025-07-16 19:13:03.446155686 +0800
Modify: 2025-07-08 16:45:26.024247415 +0800
Change: 2025-07-08 16:45:26.028247456 +0800
 Birth: 2025-07-08 16:45:26.024247415 +0800

这里引出了inode的核心概念：在文件系统中，文件数据存储在"块"中，而元信息（包括上述所有属性）则存储在称为inode（索引节点）的数据结构中。每个文件都有一个对应的inode，其中包含以下关键信息：

1. 文件类型和权限(i_mode)
2. 所有者ID和组ID(i_uid, i_gid)
3. 文件大小(i_size)
4. 时间戳（访问/创建/修改时间）
5. 链接计数(i_links_count)
6. 文件数据块的位置(i_block[])
7. 其他文件系统相关信息

可以通过ls -i命令查看文件的inode编号：

ltx@hcss-ecs-d90d:~$ ls -li
total 16
142886 -rw-rw-r--  1 ltx  ltx    71 Jul  8 16:45 code.c
148723 drwxrwxr-x  2 ltx  ltx  4096 Jul 20 12:31 Linux_network
148728 drwxrwxr-x 10 ltx  ltx  4096 Jul 23 23:07 Linux_system
150851 drwxr-xr-x  3 root root 4096 Jul  7 14:21 mydir

每一个文件都有对应的inode，里面包含了与该文件有关的一些信息。为了能解释清楚inode，我们需要深入了解一下文件系统。

inode在文件系统中的组织形式可以用以下结构体表示（以ext2文件系统为例）：

/*
* Structure of an inode on the disk
*/
struct ext2_inode {
    __le16 i_mode; /* File mode */
    __le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */
    __le32 i_size; /* Size in bytes */
    __le32 i_atime; /* Access time */
    __le32 i_ctime; /* Creation time */
    __le32 i_mtime; /* Modification time */
    __le32 i_dtime; /* Deletion Time */
    __le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id */
    __le16 i_links_count; /* Links count */
    __le32 i_blocks; /* Blocks count */
    __le32 i_flags; /* File flags */
    union {
        struct {
            __le32 l_i_reserved1;
        } linux1;
        struct {
            __le32 h_i_translator;
        } hurd1;
        struct {
            __le32 m_i_reserved1;
        } masix1;
    } osd1; /* OS dependent 1 */
    __le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
    __le32 i_generation; /* File version (for NFS) */
    __le32 i_file_acl; /* File ACL */
    __le32 i_dir_acl; /* Directory ACL */
    __le32 i_faddr; /* Fragment address */
    union {
        struct {
            __u8 l_i_frag; /* Fragment number */
            __u8 l_i_fsize; /* Fragment size */
            __u16 i_pad1;
            __le16 l_i_uid_high; /* these 2 fields */
            __le16 l_i_gid_high; /* were reserved2[0] */
            __u32 l_i_reserved2;
        } linux2;
        struct {
            __u8 h_i_frag; /* Fragment number */
            __u8 h_i_fsize; /* Fragment size */
            __le16 h_i_mode_high;
            __le16 h_i_uid_high;
            __le16 h_i_gid_high;
            __le32 h_i_author;
        } hurd2;
        struct {
            __u8 m_i_frag; /* Fragment number */
            __u8 m_i_fsize; /* Fragment size */
            __u16 m_pad1;
            __u32 m_i_reserved2[2];
        } masix2;
    } osd2; /* OS dependent 2 */
};
/*
* Constants relative to the data blocks
*/
#define EXT2_NDIR_BLOCKS 12
#define EXT2_IND_BLOCK EXT2_NDIR_BLOCKS
#define EXT2_DIND_BLOCK (EXT2_IND_BLOCK + 1)
#define EXT2_TIND_BLOCK (EXT2_DIND_BLOCK + 1)
#define EXT2_N_BLOCKS (EXT2_TIND_BLOCK + 1)

核心字段：

关于inode需要特别注意的几点：

1. 文件名并不存储在inode中。文件名和inode编号的映射关系保存在目录文件中。
2. inode大小通常是固定值（128或256字节），与文件内容大小无关。
3. 每个inode都有一个唯一的编号，通过这个编号可以快速定位文件的元信息和数据块位置。
4. inode中存储了指向文件数据块的指针，包括12个直接指针、1个一级间接指针、1个二级间接指针和1个三级间接指针（EXT2_N_BLOCKS=15）。

文件系统通过inode实现了高效的文件管理：

• 通过inode编号可以快速定位文件属性和数据块位置
• 硬链接机制允许多个文件名指向同一个inode
• 权限管理基于inode中的用户/组ID和权限位
• 文件访问时间等信息都记录在inode中

理解inode是理解Linux文件系统工作原理的关键，它解决了文件属性存储、快速访问和数据块定位等核心问题。

下一篇文章我们将详细介绍ext2文件系统