linux文件系統(tǒng)基礎(chǔ)知識(shí)

2019-09-08 23:17:48

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供稿：網(wǎng)友

這兩天看了一本fedora 6的實(shí)踐教程，下面是有關(guān)linux文件系統(tǒng)知識(shí)的學(xué)習(xí)筆記：
1、linux文件系統(tǒng)分配策略：
    塊分配( block allocation ) 和擴(kuò)展分配 ( extent allocation )
    塊分配：磁盤(pán)上的文件塊根據(jù)需要分配給文件，避免了存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。但當(dāng)文件擴(kuò)充時(shí)，會(huì)造成文件中文件塊的不連續(xù)，從而導(dǎo)致過(guò)多的磁盤(pán)尋道時(shí)間。
            每一次文件擴(kuò)展時(shí)，塊分配算法就需要寫(xiě)入文件塊的結(jié)構(gòu)信息，也就是 meta-dada 。meta-data總是與文件一起寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)備，改變文件的操作要等到所有meta-data的操作都完成后才能進(jìn)行，
            因此，meta-data的操作會(huì)明顯降低整個(gè)文件系統(tǒng)的性能。
    擴(kuò)展分配：文件創(chuàng)建時(shí)，一次性分配一連串連續(xù)的塊，當(dāng)文件擴(kuò)展時(shí)，也一次分配很多塊。meta-data在文件創(chuàng)建時(shí)寫(xiě)入，當(dāng)文件大小沒(méi)有超過(guò)所有已分配文件塊大小時(shí)，就不用寫(xiě)入meta-data，直到需要再分配文件塊的時(shí)候。
                擴(kuò)展分配采用成組分配塊的方式，減少了SCSI設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)間，在讀取順序文件時(shí)具有良好的性能，但隨機(jī)讀取文件時(shí)，就和塊分配類(lèi)似了。
                文件塊的組或塊簇 ( block cluster) 的大小是在編譯時(shí)確定的。簇的大小對(duì)文件系統(tǒng)的性能有很大的影響。
    注： meta-data 元信息：和文件有關(guān)的信息，比如權(quán)限、所有者以及創(chuàng)建、訪問(wèn)或更改時(shí)間等。
2、文件的記錄形式
    linux文家系統(tǒng)使用索引節(jié)點(diǎn)(inode)來(lái)記錄文件信息。索引節(jié)點(diǎn)是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它包含了一個(gè)文件的長(zhǎng)度、創(chuàng)建及修改時(shí)間、權(quán)限、所屬關(guān)系、磁盤(pán)中的位置等信息。
一個(gè)文件系統(tǒng)維護(hù)了一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)的數(shù)組，每個(gè)文件或目錄都與索引節(jié)點(diǎn)數(shù)組中的唯一的元素對(duì)應(yīng)。每個(gè)索引節(jié)點(diǎn)在數(shù)組中的索引號(hào)，稱(chēng)為索引節(jié)點(diǎn)號(hào)。
    linux文件系統(tǒng)將文件索引節(jié)點(diǎn)號(hào)和文件名同時(shí)保存在目錄中，所以，目錄只是將文件的名稱(chēng)和它的索引節(jié)點(diǎn)號(hào)結(jié)合在一起的一張表，目錄中每一對(duì)文件名稱(chēng)和索引節(jié)點(diǎn)號(hào)稱(chēng)為一個(gè)連接。
對(duì)于一個(gè)文件來(lái)說(shuō)，有一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)號(hào)與之對(duì)應(yīng)；而對(duì)于一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)號(hào)，卻可以對(duì)應(yīng)多個(gè)文件名。
    連接分為軟連接和硬連接，其中軟連接又叫符號(hào)連接。
    硬連接：原文件名和連接文件名都指向相同的物理地址。目錄不能有硬連接；硬連接不能跨文件系統(tǒng)(不能跨越不同的分區(qū))，文件在磁盤(pán)中只有一個(gè)拷貝。
            由于刪除文件要在同一個(gè)索引節(jié)點(diǎn)屬于唯一的連接時(shí)才能成功，因此硬連接可以防止不必要的誤刪除。
    軟連接：用 ln -s 命令建立文件的符號(hào)連接。符號(hào)連接是linux特殊文件的一種，作為一個(gè)文件，它的數(shù)據(jù)是它所連接的文件的路徑名。沒(méi)有防止誤刪除的功能。
3、文件系統(tǒng)類(lèi)型：

    ext2 ：早期linux中常用的文件系統(tǒng)
    ext3 ： ext2的升級(jí)版，帶日志功能
    RAMFS ：內(nèi)存文件系統(tǒng)，速度很快
    NFS ：網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，由SUN發(fā)明，主要用于遠(yuǎn)程文件共享
    MS-DOS ： MS-DOS文件系統(tǒng)
    VFAT ： Windows 95/98 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)
    FAT ： Windows XP 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)
    NTFS ： Windows NT/XP 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)
    HPFS ： OS/2 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)
    PROC : 虛擬的進(jìn)程文件系統(tǒng)
    ISO9660 ：大部分光盤(pán)所采用的文件系統(tǒng)
    ufsSun : OS 所采用的文件系統(tǒng)
    NCPFS ： Novell 服務(wù)器所采用的文件系統(tǒng)
    SMBFS ： Samba 的共享文件系統(tǒng)
    XFS ：由SGI開(kāi)發(fā)的先進(jìn)的日志文件系統(tǒng)，支持超大容量文件
    JFS ：IBM的AIX使用的日志文件系統(tǒng)
    ReiserFS : 基于平衡樹(shù)結(jié)構(gòu)的文件系統(tǒng)
    udf: 可擦寫(xiě)的數(shù)據(jù)光盤(pán)文件系統(tǒng)
4、虛擬文件系統(tǒng)VFS

    linux支持的所有文件系統(tǒng)稱(chēng)為邏輯文件系統(tǒng)，而linux在傳統(tǒng)的邏輯文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加料一個(gè)蓄念文件系統(tǒng)( Vitual File System ,VFS) 的接口層。
    虛擬文件系統(tǒng)(VFS) 位于文件系統(tǒng)的最上層，管理各種邏輯文件系統(tǒng)，并可以屏蔽各種邏輯文件系統(tǒng)之間的差異，提供統(tǒng)一文件和設(shè)備的訪問(wèn)接口。
5、文件的邏輯結(jié)構(gòu)
    文件的邏輯結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)：字節(jié)流式的無(wú)結(jié)構(gòu)文件和記錄式的有結(jié)構(gòu)文件。
    由字節(jié)流（字節(jié)序列）組成的文件是一種無(wú)結(jié)構(gòu)文件或流式文件，不考慮文件內(nèi)部的邏輯結(jié)構(gòu)，只是簡(jiǎn)單地看作是一系列字節(jié)的序列，便于在文件的任意位置添加內(nèi)容。
    由記錄組成的文件稱(chēng)為記錄式文件，記錄是這種文件類(lèi)型的基本信息單位，記錄式文件通用于信息管理。
6、文件類(lèi)型

    普通文件：通常是流式文件
    目錄文件：用于表示和管理系統(tǒng)中的全部文件
    連接文件：用于不同目錄下文件的共享
    設(shè)備文件：包括塊設(shè)備文件和字符設(shè)備文件，塊設(shè)備文件表示磁盤(pán)文件、光盤(pán)等，字符設(shè)備文件按照字符操作終端、鍵盤(pán)等設(shè)備。
    管道(FIFO)文件 : 提供進(jìn)程建通信的一種方式
    套接字(socket) 文件：該文件類(lèi)型與網(wǎng)絡(luò)通信有關(guān)
7、文件結(jié)構(gòu)：包括索引節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)
    索引節(jié)點(diǎn) ：又稱(chēng) I 節(jié)點(diǎn)，在文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，包含有關(guān)相應(yīng)文件的信息的一個(gè)記錄，這些信息包括文件權(quán)限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系統(tǒng)中所有文件的索引節(jié)點(diǎn)保存在索引節(jié)點(diǎn)表中。
    數(shù)據(jù) ：文件的實(shí)際內(nèi)容。可以是空的，也可以非常大，并且擁有自己的結(jié)構(gòu)。
8、ext2文件系統(tǒng)

    ext2文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊大小一般為 1024B、2048B 或 4096B
    ext2文件系統(tǒng)采用的索引節(jié)點(diǎn)(inode)：
        索引節(jié)點(diǎn)采用了多重索引結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在直接指針和3個(gè)間接指針。直接指針包含12個(gè)直接指針塊，它們直接指向包含文件數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，緊接在后面的3個(gè)間接指針是為了適應(yīng)文件的大小變化而設(shè)計(jì)的。
    e.g：假設(shè)數(shù)據(jù)塊大小為1024B ，利用12個(gè)直接指針，可以保存最大為12KB的文件，當(dāng)文件超過(guò)12KB時(shí)，則要利用單級(jí)間接指針，該指針指向的數(shù)據(jù)塊保存有一組數(shù)據(jù)塊指針，這些指針依次指向包含有實(shí)際數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊，
        假如每個(gè)指針占用4B，則每個(gè)單級(jí)指針數(shù)據(jù)塊可保存 1024/4＝256 個(gè)數(shù)據(jù)指針，因此利用直接指針和單級(jí)間接指針可保存 1024*12＋1024*256＝268 KB的文件。當(dāng)文件超過(guò)268KB時(shí)，再利用二級(jí)間接指針，直到使用三級(jí)間接指針。
        利用直接指針、單級(jí)間接指針、二級(jí)間接指針、三級(jí)間接指針可保存的最大文件大小為：
            1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256＝16843020 KB，約 16GB
        若數(shù)據(jù)塊大小為2048B，指針占4B，則最大文件大小為： 2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512＝268,960,792 KB 約 268GB
        若數(shù)據(jù)塊大小為4096B，指針占4B，則最大文件大小為： 4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024＝4,299,165,744 KB ，約 4TB
    注：命令 tune2fs -l /dev/sda5 可查看文件系統(tǒng)
    ext2文件系統(tǒng)最大文件名長(zhǎng)度： 255個(gè)字符

    ext2文件系統(tǒng)的缺點(diǎn)：
            ext2在寫(xiě)入文件內(nèi)容的同時(shí)并沒(méi)有同時(shí)寫(xiě)入文件meta-data，    其工作順序是先寫(xiě)入文件的內(nèi)容，然后等空閑時(shí)候才寫(xiě)入文件的meta-data。若發(fā)生意外，則文件系統(tǒng)就會(huì)處于不一致?tīng)顟B(tài)。
        在重新啟動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候，linux會(huì)啟動(dòng) fsk ( file system check) 的程序，掃描整個(gè)文件系統(tǒng)并試圖修復(fù)，但不提供保證。
9、ext3文件系統(tǒng)：

    ext3基于ext2的代碼，所以磁盤(pán)格式與ext2相同，使用相同的元數(shù)據(jù)。
    ext2文件系統(tǒng)無(wú)損轉(zhuǎn)化為ext3文件系統(tǒng)： tune2fs -j /dev/sda6

    日志塊設(shè)備( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系統(tǒng)日志功能。JBD不是ext3文件系統(tǒng)所特有的，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了向一個(gè)塊設(shè)備添加日志功能。
    當(dāng)一個(gè)文件修改執(zhí)行時(shí)，ext3文件系統(tǒng)代碼將通知JBD，稱(chēng)為一個(gè)事務(wù)(transaction)。發(fā)生意外時(shí)，日志功能具有的重放功能，能重新執(zhí)行中斷的事務(wù)。

    日志中的3種數(shù)據(jù)模式：
        1)、data=writeback ：不處理任何形式的日志數(shù)據(jù)，給用戶(hù)整體上的最高性能
        2)、data=odered ：只記錄元數(shù)據(jù)日志，但將元數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)組成一個(gè)單元稱(chēng)為事務(wù)(transaction) 。此模式保持所句句的可靠性與文件系統(tǒng)的一致性，性能遠(yuǎn)低于data=writeback模式，但比data=journal模式快
        3)、data=journal ：提供完整的數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)日志，所有新數(shù)據(jù)首先被寫(xiě)入日志，然后才被定位。意外發(fā)生過(guò)后，日志可以被重放，將數(shù)據(jù)與元數(shù)據(jù)帶回一致?tīng)顟B(tài)。這種模式整體性能最慢，但數(shù)據(jù)需要從磁盤(pán)讀取和寫(xiě)入磁盤(pán)時(shí)卻是3種模式中最快的。
    ext3文件系統(tǒng)最大文件名長(zhǎng)度： 255個(gè)字符
    ext3文件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：可用性、數(shù)據(jù)完整性、速度、兼容性
10、ReiserFS文件系統(tǒng)

    ReiserFS文件系統(tǒng)是由Hans Reiser和他領(lǐng)導(dǎo)的開(kāi)發(fā)小組共同開(kāi)發(fā)的，整個(gè)文件系統(tǒng)完全是從頭設(shè)計(jì)的，是一個(gè)非常優(yōu)秀的文件系統(tǒng)。也是最早用于Linux的日志文件系統(tǒng)之一。
    ReiserFS的特點(diǎn)
     先進(jìn)的日志機(jī)制
        ReiserFS有先進(jìn)的日志(Journaling/logging)功能機(jī)制。日志機(jī)制保證了在每個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)修改之前，相應(yīng)的日志已經(jīng)寫(xiě)入硬盤(pán)。文件與數(shù)據(jù)的安全性有了很大提高。
     高效的磁盤(pán)空間利用
        Reiserfs對(duì)一些小文件不分配inode。而是將這些文件打包，存放在同一個(gè)磁盤(pán)分塊中。而其它文件系統(tǒng)則為每個(gè)小文件分別放置到一個(gè)磁盤(pán)分塊中。
     獨(dú)特的搜尋方式
        ReiserFS基于快速平衡樹(shù)(balanced tree)搜索，平衡樹(shù)在性能上非常卓越，這是一種非常高效的算法。ReiserFS搜索大量文件時(shí)，搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件系統(tǒng)使用B*Tree存儲(chǔ)文件，而其它文件系統(tǒng)使用B+Tree樹(shù)。B*Tree查詢(xún)速度比B+Tree要快很多。Reiserfs在文件定位上速度非?？?。
        在實(shí)際運(yùn)用中，ReiserFS 在處理小于 4k 的文件時(shí)，比ext2 快 5 倍；帶尾文件壓縮功能（默認(rèn)）的ReiserFS 比ext2文件系統(tǒng)多存儲(chǔ)6%的數(shù)據(jù)。
    支持海量磁盤(pán)
        ReiserFS是一個(gè)非常優(yōu)秀的文件系統(tǒng)，一直被用在高端UNIX系統(tǒng)上，可輕松管理上百G的文件系統(tǒng)，ReiserFS文件系統(tǒng)最大支持的文件系統(tǒng)尺寸為16TB。這非常適合企業(yè)級(jí)應(yīng)用中。
    優(yōu)異的性能
        由于它的高效存儲(chǔ)和快速小文件I/O特點(diǎn)，使用ReiserFs文件系統(tǒng)的PC，在啟動(dòng)X窗口系統(tǒng)時(shí)，所花的時(shí)間要比在同一臺(tái)機(jī)器上使用ext2文件系統(tǒng)少1/3。另外，ReiserFS文件系統(tǒng)支持單個(gè)文件尺寸為4G的文件，這為大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在linux上的應(yīng)用提供了更好的選擇。

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