Linux磁盘与文件系统概念理解

浏览数：45 / 时间：2015年06月20日

磁盘级别概念

这里讲的主要是网上所谓的老式磁盘，它是由一个个盘片组成的，我们先从个盘片结构讲起。如图1所示，图中的一圈圈灰色同心圆为一条条磁道，从圆心向外画直线，可以将磁道划分为若干个弧段，每个磁道上一个弧段被称之为一个扇区（图践绿色部分）。扇区是磁盘的最小组成单元，通常是512字节。图2展示了由一个个盘片组成的磁盘立体结构，一个盘片上下两面都是可读写的，图中蓝色部分叫柱面（cylinder）。

简简单介绍了磁盘结构后，下面我们将对磁盘的参数进行讲解。磁盘的常见参数如下：

磁头（head）
磁道（track）
柱面（cylinder）
扇区（sector）
圆盘（platter）

图2中磁盘是一个 3个圆盘6个磁头，7个柱面（每个盘片7个磁道）的磁盘，图2中每条磁道有12个扇区，所以此磁盘的容量为6*7*12*512字节。

即：

存储容量＝磁头数 × 磁道(柱面)数 × 每道扇区数 × 每扇区字节数

下面讲一下现代磁盘，在老式磁盘中，尽管磁道周长不同，但每个磁道上的扇区数是相等的，越往圆心扇区弧段越短，但其存储密度越高。不过这种方式显然比较浪费空间，因此现代磁盘则改为等密度结构，这意味着外围磁道上的扇区数量要大于内圈的磁道，寻址方式也改为以扇区为单位的线性寻址。为了兼容老式的3D寻址方式，现代磁盘控制器中都有一个地址翻译器将 3D 寻址参数翻译为线性参数。

扇区（sector）：最小的物理存储单位，每个扇区512bytes

柱面（cylinder）：扇区组成的一个圆，柱面是分区（partition）的最小单位

第一个扇区：包含开机启动记录（MBR，Master boot record）以及分区表（partition table），其中MBR为446bytes，partition table为64byte

因为分区表大小只有64byte，所以只能存储4个分区信息，这也是为什么一块硬盘只能分为四个主分区，或者将其中一个作为扩展分区，在其中再划分逻辑分区。

多重引导

图中蓝色为MBR，黄色为每个分区的启动扇区（boot sector）

每个分区都拥有自己的启动扇区(boot sector)
图中的系统分区为第一及第二分区
实际可开机的核心文件是放置到各分区内的！
loader 只会认识自己的系统分区内的可开机核心文件，以及其他 loader 而已；
loader 可直接指向或者是间接将管理权转交给另一个管理程序。

分区概念

分区的最小单位是柱面，柱面=每个磁道的扇区数*扇区大小*磁头数，所以分区不可能是准确的大小，会有一个柱面大小的偏差。

分区示意图如下

一块硬盘最开始是MBR和分区表，并且每个分区都有各自的boot sector。

文件系统概念

文件系统定义了以什么样的结构存储数据。每个分区可以是不同的文件系统，文件系统的划分是针对分区的。

Linux文件系统ext2主要分为三种类型的结构，superblock，inode，block。

superblock（超级块）

superblock记录了整个filesystem相关信息的地方，没有superblock，就没有filesystem

block与inode的总量
未使用与已使用的inode/block数量
block与inode的大小
filesystem挂载时间，最近一次写入数据时间，最近一次检验磁盘时间等
一个valid bit数值，若被挂载为0，否则为1

inode

文件的字节数
文件拥有者的User ID
文件的Group ID
文件的读、写、执行权限
文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
链接数，即有多少文件名指向这个inode
文件数据block的位置

block

大小一般为1k，2k，4k，是真实存储数据内容的区域。

下图为他们三者的关系，其中boot block大小为1k，super block大小为1k。

另外还有其他部分

Filesystem Description (文件系统描述说明)

这个区段可以描述每个 block group 的开始和结束的block号码，以及说明每个区段 (superblock, bitmap, inodemap, data block) 分别位于哪一个 block 号码之间。这部分也能够用 dumpe2fs 来观察。

block bitmap (区块对照表)

如果你想要新增文件时总会用到 block 吧！那你要使用那个 block 来记录呢？当然是选择『空的

block 』来记录新文件的数据。那你怎么知道那个 block 是空的？这就得要透过 block bitmap 了。从 block bitmap 当中可以知道哪些 block 是空癿，因此我们的系统就能够迅速的找到可使用的空间来处置文件。

inode bitmap (inode 对照表)

这个其实不 block bitmap 是类似的功能，叧是 block bitmap 记录的是使用不未使用的block 号码，至于inode bitmap 则是记录使用不未使用的inode 号码啰！

目录和文件的存储方式

目录存储方式

当我们在 Linux 下癿 ext2 文件系统建立一个目彔时， ext2 会分配一个 inode 不至少一块 block 给该目录。其中，inode 记录该目录的相关权限和属性，并可记录分配到的那块 block 号码；而 block 则是记录在这个目录下的文件名与该文件名占用的 inode 号码数据。

文件存储方式

文件存储也是分配一个inode，并且这个inode中有12个直接，一个间接，一个双间接，一个三间接记录区