linux文件系統基礎知識

2019-09-08 23:17:48

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供稿：網友

這兩天看了一本fedora 6的實踐教程，下面是有關linux文件系統知識的學習筆記：
1、linux文件系統分配策略：
    塊分配( block allocation ) 和擴展分配 ( extent allocation )
    塊分配：磁盤上的文件塊根據需要分配給文件，避免了存儲空間的浪費。但當文件擴充時，會造成文件中文件塊的不連續，從而導致過多的磁盤尋道時間。
            每一次文件擴展時，塊分配算法就需要寫入文件塊的結構信息，也就是 meta-dada 。meta-data總是與文件一起寫入存儲設備，改變文件的操作要等到所有meta-data的操作都完成后才能進行，
            因此，meta-data的操作會明顯降低整個文件系統的性能。
    擴展分配：文件創建時，一次性分配一連串連續的塊，當文件擴展時，也一次分配很多塊。meta-data在文件創建時寫入，當文件大小沒有超過所有已分配文件塊大小時，就不用寫入meta-data，直到需要再分配文件塊的時候。
                擴展分配采用成組分配塊的方式，減少了SCSI設備寫數據的時間，在讀取順序文件時具有良好的性能，但隨機讀取文件時，就和塊分配類似了。
                文件塊的組或塊簇 ( block cluster) 的大小是在編譯時確定的。簇的大小對文件系統的性能有很大的影響。
    注： meta-data 元信息：和文件有關的信息，比如權限、所有者以及創建、訪問或更改時間等。
2、文件的記錄形式
    linux文家系統使用索引節點(inode)來記錄文件信息。索引節點是一種數據結構，它包含了一個文件的長度、創建及修改時間、權限、所屬關系、磁盤中的位置等信息。
一個文件系統維護了一個索引節點的數組，每個文件或目錄都與索引節點數組中的唯一的元素對應。每個索引節點在數組中的索引號，稱為索引節點號。
    linux文件系統將文件索引節點號和文件名同時保存在目錄中，所以，目錄只是將文件的名稱和它的索引節點號結合在一起的一張表，目錄中每一對文件名稱和索引節點號稱為一個連接。
對于一個文件來說，有一個索引節點號與之對應；而對于一個索引節點號，卻可以對應多個文件名。
    連接分為軟連接和硬連接，其中軟連接又叫符號連接。
    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(不能跨越不同的分區)，文件在磁盤中只有一個拷貝。
            由于刪除文件要在同一個索引節點屬于唯一的連接時才能成功，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連接。符號連接是linux特殊文件的一種，作為一個文件，它的數據是它所連接的文件的路徑名。沒有防止誤刪除的功能。
3、文件系統類型：

    ext2 ：早期linux中常用的文件系統
    ext3 ： ext2的升級版，帶日志功能
    RAMFS ：內存文件系統，速度很快
    NFS ：網絡文件系統，由SUN發明，主要用于遠程文件共享
    MS-DOS ： MS-DOS文件系統
    VFAT ： Windows 95/98 操作系統采用的文件系統
    FAT ： Windows XP 操作系統采用的文件系統
    NTFS ： Windows NT/XP 操作系統采用的文件系統
    HPFS ： OS/2 操作系統采用的文件系統
    PROC : 虛擬的進程文件系統
    ISO9660 ：大部分光盤所采用的文件系統
    ufsSun : OS 所采用的文件系統
    NCPFS ： Novell 服務器所采用的文件系統
    SMBFS ： Samba 的共享文件系統
    XFS ：由SGI開發的先進的日志文件系統，支持超大容量文件
    JFS ：IBM的AIX使用的日志文件系統
    ReiserFS : 基于平衡樹結構的文件系統
    udf: 可擦寫的數據光盤文件系統
4、虛擬文件系統VFS

    linux支持的所有文件系統稱為邏輯文件系統，而linux在傳統的邏輯文件系統的基礎上增加料一個蓄念文件系統( Vitual File System ,VFS) 的接口層。
    虛擬文件系統(VFS) 位于文件系統的最上層，管理各種邏輯文件系統，并可以屏蔽各種邏輯文件系統之間的差異，提供統一文件和設備的訪問接口。
5、文件的邏輯結構
    文件的邏輯結構可分為兩大類：字節流式的無結構文件和記錄式的有結構文件。
    由字節流（字節序列）組成的文件是一種無結構文件或流式文件，不考慮文件內部的邏輯結構，只是簡單地看作是一系列字節的序列，便于在文件的任意位置添加內容。
    由記錄組成的文件稱為記錄式文件，記錄是這種文件類型的基本信息單位，記錄式文件通用于信息管理。
6、文件類型

    普通文件：通常是流式文件
    目錄文件：用于表示和管理系統中的全部文件
    連接文件：用于不同目錄下文件的共享
    設備文件：包括塊設備文件和字符設備文件，塊設備文件表示磁盤文件、光盤等，字符設備文件按照字符操作終端、鍵盤等設備。
    管道(FIFO)文件 : 提供進程建通信的一種方式
    套接字(socket) 文件：該文件類型與網絡通信有關
7、文件結構：包括索引節點和數據
    索引節點：又稱 I 節點，在文件系統結構中，包含有關相應文件的信息的一個記錄，這些信息包括文件權限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系統中所有文件的索引節點保存在索引節點表中。
    數據：文件的實際內容。可以是空的，也可以非常大，并且擁有自己的結構。
8、ext2文件系統

    ext2文件系統的數據塊大小一般為 1024B、2048B 或 4096B
    ext2文件系統采用的索引節點(inode)：
        索引節點采用了多重索引結構，主要體現在直接指針和3個間接指針。直接指針包含12個直接指針塊，它們直接指向包含文件數據的數據塊，緊接在后面的3個間接指針是為了適應文件的大小變化而設計的。
    e.g：假設數據塊大小為1024B ，利用12個直接指針，可以保存最大為12KB的文件，當文件超過12KB時，則要利用單級間接指針，該指針指向的數據塊保存有一組數據塊指針，這些指針依次指向包含有實際數據的數據塊，
        假如每個指針占用4B，則每個單級指針數據塊可保存 1024/4＝256 個數據指針，因此利用直接指針和單級間接指針可保存 1024*12＋1024*256＝268 KB的文件。當文件超過268KB時，再利用二級間接指針，直到使用三級間接指針。
        利用直接指針、單級間接指針、二級間接指針、三級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
        若數據塊大小為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
        若數據塊大小為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
    ext2文件系統最大文件名長度： 255個字符

    ext2文件系統的缺點：
            ext2在寫入文件內容的同時并沒有同時寫入文件meta-data，    其工作順序是先寫入文件的內容，然后等空閑時候才寫入文件的meta-data。若發生意外，則文件系統就會處于不一致狀態。
        在重新啟動系統的時候，linux會啟動 fsk ( file system check) 的程序，掃描整個文件系統并試圖修復，但不提供保證。
9、ext3文件系統：

    ext3基于ext2的代碼，所以磁盤格式與ext2相同，使用相同的元數據。
    ext2文件系統無損轉化為ext3文件系統： tune2fs -j /dev/sda6

    日志塊設備( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系統日志功能。JBD不是ext3文件系統所特有的，它的設計目標是為了向一個塊設備添加日志功能。
    當一個文件修改執行時，ext3文件系統代碼將通知JBD，稱為一個事務(transaction)。發生意外時，日志功能具有的重放功能，能重新執行中斷的事務。

    日志中的3種數據模式：
        1)、data=writeback ：不處理任何形式的日志數據，給用戶整體上的最高性能
        2)、data=odered ：只記錄元數據日志，但將元數據和數據組成一個單元稱為事務(transaction) 。此模式保持所句句的可靠性與文件系統的一致性，性能遠低于data=writeback模式，但比data=journal模式快
        3)、data=journal ：提供完整的數據及元數據日志，所有新數據首先被寫入日志，然后才被定位。意外發生過后，日志可以被重放，將數據與元數據帶回一致狀態。這種模式整體性能最慢，但數據需要從磁盤讀取和寫入磁盤時卻是3種模式中最快的。
    ext3文件系統最大文件名長度： 255個字符
    ext3文件系統的優點：可用性、數據完整性、速度、兼容性
10、ReiserFS文件系統

    ReiserFS文件系統是由Hans Reiser和他領導的開發小組共同開發的，整個文件系統完全是從頭設計的，是一個非常優秀的文件系統。也是最早用于Linux的日志文件系統之一。
    ReiserFS的特點
     先進的日志機制
        ReiserFS有先進的日志(Journaling/logging)功能機制。日志機制保證了在每個實際數據修改之前，相應的日志已經寫入硬盤。文件與數據的安全性有了很大提高。
     高效的磁盤空間利用
        Reiserfs對一些小文件不分配inode。而是將這些文件打包，存放在同一個磁盤分塊中。而其它文件系統則為每個小文件分別放置到一個磁盤分塊中。
     獨特的搜尋方式
        ReiserFS基于快速平衡樹(balanced tree)搜索，平衡樹在性能上非常卓越，這是一種非常高效的算法。ReiserFS搜索大量文件時，搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件系統使用B*Tree存儲文件，而其它文件系統使用B+Tree樹。B*Tree查詢速度比B+Tree要快很多。Reiserfs在文件定位上速度非常快。
        在實際運用中，ReiserFS 在處理小于 4k 的文件時，比ext2 快 5 倍；帶尾文件壓縮功能（默認）的ReiserFS 比ext2文件系統多存儲6%的數據。
    支持海量磁盤
        ReiserFS是一個非常優秀的文件系統，一直被用在高端UNIX系統上，可輕松管理上百G的文件系統，ReiserFS文件系統最大支持的文件系統尺寸為16TB。這非常適合企業級應用中。
    優異的性能
        由于它的高效存儲和快速小文件I/O特點，使用ReiserFs文件系統的PC，在啟動X窗口系統時，所花的時間要比在同一臺機器上使用ext2文件系統少1/3。另外，ReiserFS文件系統支持單個文件尺寸為4G的文件，這為大型數據庫系統在linux上的應用提供了更好的選擇。

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