【Linux】操作系统中的文件系统管理：磁盘结构、逻辑存储与文件访问机制

前言：

在现代操作系统中，文件系统的管理是核心功能之一，它负责处理文件的存储、访问和组织。文件系统不仅需要高效地管理磁盘空间，还要能够快速地定位和检索文件。本文将深入探讨文件系统的工作原理，包括磁盘的物理结构、逻辑存储方式以及操作系统如何管理文件和目录。通过理解这些概念，我们可以更好地理解操作系统如何与硬件交互，以及如何优化文件系统的使用。

进程打开文件！
系统中是不是所有的文件都被被打开了呢? 大部分文件是没有被打开的。
如果没有被打开呢? 在哪里保存？磁盘,SSD。OS 要不要管理一下磁盘文件呢？ 如何让OS快速定位一个文件。

1. 磁盘机械结构

盘片（Platters）：硬盘内部通常包含多个金属或玻璃盘片，数据会被存储在这些盘片的表面上。盘片通常被涂覆有磁性材料，用于记录数据。

磁头（Read/Write Heads）：硬盘内部会有多个磁头，它们位于每个盘片的上下两面，用于读取和写入数据。磁头会在盘片的表面上移动，以实现对数据的访问。

手臂（Actuator Arm）：硬盘内部还包含一个或多个手臂，用于支撑磁头，并能够在盘片的表面上移动，从而让磁头能够定位到正确的磁道上进行读写操作。

主轴电机（Spindle Motor）：硬盘内部的主轴电机用于旋转盘片，使得磁头能够在正确的位置上读取或写入数据。硬盘的旋转速度通常以每分钟转数（RPM）来表示。

2. 磁盘物理结构

磁道/柱面：唯一的编号。
扇区：是磁盘IO的基本单位（512字节，4KB） ，但不一定是系统和磁盘IO的基本单位。
磁头、盘面：都有唯一的编号

如果我想访问磁盘中的一个扇区：
通过磁头定位：磁道/柱面(cylinder)，使用哪一个磁头(head)，哪一个扇区(sector)。(CHS定位法)
那么任何文件，不就是多个扇区承载的数据吗？

3. 磁盘的逻辑存储

Linux ext2文件系统，上图为磁盘文件系统图（内核内存映像肯定有所不同），磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b选项可以设定block大小为1024、2048或4096字节。而上图中启动块（Boot Block）的大小是确定的，

• 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
• 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
• 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inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
• 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
• 数据区：存放文件内容

Linux 磁盘文件特性：文件 = 内容 + 属性 （内容和属性分开存储）
类容: 大小不确定，可能很大，可能很小。
属性：固定大小的。（属性的类别是一样的，只不过每个类别内容不一样）

struct inode // 128字节
{
	// inode编号 （识别唯一性）
	// 类型
	// 大小
	// 权限
	// 时间
	// ...
}

注意：文件名不属于文件属性！
系统中，标识一个文件不是用的文件名，而是 inode！

3. 1. 文件名呢？

• 任何一个普通文件，一定在一个目录中。
• 目录 是不是文件？
  是，inode(inode编号) + 目录内容(文件名：inode编号的映射关系)
• 如果一个目录没有r , w , x 表现是什么？
  因为创建文件最终是要修改目录的内容的，所以没有就创建不了。

3.2 对文件的增删查改与 路径

对一个文件，进行增删查改，都和改文件所在的目录由关系！
查找一个文件，在内核中，都要逆向的递归得到 / ，从根目录进行路径解析。

一个被写入文件系统的分区，要被Linux使用，必须要把这个文件具有文件系统的分区进行“挂载”。
一个文件系统所对应的分区，挂载在对应的目录中！ 分区的访问，都是通过所挂载的路径访问的！

访问一个文件，可以根据路径前缀，优先区分出文件在哪一个分区下！

1. open、fopen，都需要我们提供文件路径的
2. 进程的当前路径！

3.3. 文件

1. 打开的文件
2. 没有打开的文件

4. 软硬链接

4.1. 操作观察现象

• 创建软链接：

ln -s test.txt soft 

软连接本质是一个文件，有独立的 inode

• 创建硬链接：

ln hello.txt link.hard

硬链接本质不是一个独立的文件，因为它的 inode 编号和目标文件相同，写入道指定目录的数据块中。

4.2. 软硬链接的原理

• 硬链接本质就是在指定的目录下，插入新的文件名和目标文件的映射关系，并让 inode 引用计数++
• 软链接本质就是一个独立文件，软链接内容里面存放的目标文件的路径！软链接类似 windows 下的快捷方式。

4.3. 软硬链接的应用场景

硬链接：维护目录间映射的关系，一个目录下有多少个子目录：硬链接数 - 2 计算得到。

因为环路问题，不允许给目录建立硬链接。

总结

本文详细介绍了文件系统的工作机制，从磁盘的物理结构到逻辑存储，再到操作系统如何管理文件和目录。我们了解到，尽管大部分文件在任何给定时间都是未被打开的，操作系统仍然需要有效地管理这些文件。磁盘的机械结构和物理结构决定了数据的存储方式，而文件系统的逻辑结构则决定了文件的组织和访问方式。

Linux文件系统，如ext2，通过使用块设备、块组、超级块、块位图和inode等概念来管理文件。每个文件都有其对应的inode，其中包含了文件的属性，而文件名则存储在目录中，目录本身也是一个文件。操作系统通过路径解析来查找文件，并可能需要跨多个分区进行搜索。

此外，我们还探讨了硬链接和软链接的概念及其应用场景。硬链接通过增加inode的引用计数来实现，而软链接则是一个包含目标文件路径的独立文件。硬链接常用于维护目录间的映射关系，而软链接则类似于Windows下的快捷方式。

通过理解这些概念，用户和开发者可以更有效地与文件系统交互，优化存储空间的使用，并提高文件访问的效率。操作系统的文件管理是一个复杂但至关重要的过程，它确保了数据的安全性、完整性和可访问性