Linux文件系统详解

Linux文件系统详解

Linux文件系统是Linux操作系统中用于存储和组织数据的关键部分。它定义了如何存储文件、目录、元数据和设备，以及如何访问和管理这些数据。以下是对Linux文件系统的详细介绍。

一、Linux文件系统简介

1. 基本概念

文件系统是操作系统用于明确存储设备或分区上的文件的方法和数据结构，是操作系统中负责管理和存储文件信息的软件结构。它负责为用户建立文件，进行文件的存入、读出、修改、转储，控制文件的存取，提供安全控制、日志、压缩、加密等功能。

2. 文件系统结构

Linux文件系统采用树形结构，这种结构以根目录（/）为起点，所有的文件和目录都直接或间接地连接在根目录下。这种结构使得文件和目录的访问变得直观和高效。

3. 文件类型

在Linux中，文件不仅仅是数据块的集合，它们还可以表示不同类型的实体，如普通文件、目录、字符设备、块设备、管道、套接字和链接。每种类型的文件在系统中都有其特定的用途和行为。

4. 权限管理

Linux文件系统实现了严格的权限管理机制，以确保系统的安全性和数据的完整性。每个文件和目录都有一组权限，这些权限定义了谁可以读取、写入或执行该文件或目录。权限通常分为三组：所有者、所属组和其他用户。

5. 硬链接和软链接

Linux支持两种类型的链接：硬链接和软链接（也称为符号链接）。硬链接是文件系统中指向同一个文件数据块入口的多个目录条目。软链接则是一个特殊的文件，其中包含了对另一个文件或目录的引用（即路径）。

6. 文件系统类型

Linux支持多种文件系统类型，每种类型都有其特定的特性和用途。

• ext系列（如ext2、ext3、ext4）：这是Linux中最常用的文件系统之一，提供了良好的性能和可靠性。
• XFS：一种高性能的日志文件系统，特别适用于大型文件系统和大型文件。
• Btrfs：一种现代的、功能丰富的文件系统，支持高级功能如快照、校验和和在线压缩。
• NFS（网络文件系统）：允许网络上的计算机共享文件和目录。

7. 文件系统的挂载和卸载

在Linux中，文件系统在访问之前需要被挂载到某个目录上。挂载操作将文件系统的根目录连接到Linux目录树中的一个点，从而允许用户访问该文件系统。当文件系统不再需要时，可以将其卸载。

8. 文件系统的管理和维护

Linux提供了一系列工具用于管理和维护文件系统，包括文件系统的创建（如mkfs）、检查（如fsck）、修复（如e2fsck对于ext系列文件系统）、挂载（如mount）和卸载（如umount）等。

9. 虚拟文件系统（VFS）

Linux的虚拟文件系统（VFS）是一个抽象层，它提供了一个统一的接口来访问不同的文件系统。VFS使得内核能够独立于底层文件系统类型来操作文件和目录，同时也为支持新的文件系统类型提供了便利。

二、Linux文件系统的特点

1. 树形结构

Linux文件系统采用树形结构，从根目录（/）开始，所有的文件和目录都直接或间接地连接到根目录，形成层级结构。

2. 多文件系统支持

Linux的虚拟文件系统（VFS）允许众多不同类型文件系统共存，并支持跨文件系统的操作。

3. 无结构字符流式文件

Linux的文件是无结构字符流式文件，不考虑文件内部的逻辑结构，只把文件简单地看作是一系列字符的序列。

4. 权限管理

Linux文件或目录都有相应的访问权限，由文件拥有者或超级用户设置，以保护文件不被未授权访问。

5. 设备文件

Linux把所有的外部设备都看做文件，可以使用与文件系统相同的系统调用和函数来读写外部设备。

三、文件系统的组成部分

Linux文件系统主要由以下几个部分组成：

1. 内核中的模块

如ext4、xfs等，负责文件系统的底层实现。

2. 虚拟文件系统（VFS）

作为内核中的一个抽象层，为上层应用程序提供统一的文件访问接口，同时支持多种实际文件系统。

3. 用户空间的管理工具

如mkfs.ext4、mkfs.xfs等，用于在磁盘上创建文件系统，以及fsck等工具用于检测和修复文件系统错误。

四、文件系统的关键目录

Linux文件系统的关键目录构成了系统的基础框架，它们各自承担着不同的功能和职责。以下是一些关键的Linux文件系统目录及其功能介绍：

• /：是所有文件的根目录。
• /bin：存放二进制可执行命令目录。
• /home：用户主目录的基点目录，默认情况每个用户主目录都设在该目录下。
• /lib：存放标准程序设计库目录，又叫动态链接共享库目录，目录中文件类似Windows里的后缀名为dll的文件。
• /etc：存放系统管理和配置文件目录。
• /dev：存放设备特殊文件目录，如声卡文件、磁盘文件等。
• /usr：最庞大的目录，存放应用程序和文件目录。
• /proc：虚拟目录，是系统内存的映射，可直接访问这个目录来获取系统信息。
• /root：系统管理员的主目录。
• /var：存放系统产生的经常变化文件的目录，例如打印机、邮件等假脱机目录、日志文件、格式化后的手册页以及一些应用程序的数据文件等。
• /tmp：存放公用临时文件目录。

五、文件系统的操作

在Linux中，对文件系统的操作主要包括文件的创建、删除、修改、移动等，以及对文件系统的挂载、卸载、检查、修复等。这些操作可以通过命令行工具（如ls、cp、mv、rm、mount、umount、fsck等）来完成。

1. 创建目录

使用mkdir命令。例如，mkdir new_directory会在当前目录下创建一个名为new_directory的新目录。如果需要创建多级目录，可以使用-p选项，如mkdir -p dir1/dir2/dir3。

2. 创建文件

有多种方式可以创建文件，但最直接的是使用touch命令。例如，touch new_file.txt会在当前目录下创建一个名为new_file.txt的空文件。此外，使用文本编辑器（如vi、vim、nano等）也可以创建并编辑文件内容。

3. 查看当前目录

使用pwd命令可以显示当前工作目录的完整路径。

4. 列出目录内容

使用ls命令。默认情况下，ls会列出当前目录下的文件和目录（不包括以.开头的隐藏文件）。使用-l选项可以以长列表格式显示详细信息，包括文件权限、所有者、大小等。使用-a选项可以列出所有文件，包括隐藏文件。

5. 查看文件内容

可以使用cat、more、less等命令。cat命令会一次性显示文件的全部内容；more和less命令则支持分页查看，允许用户逐页或逐行查看文件内容。

6. 复制文件或目录

使用cp命令。例如，cp source_file destination_file会将source_file复制到destination_file指定的位置。如果目标位置是一个目录，则source_file会被复制到该目录下，并保持原名。使用-r选项可以递归复制目录及其所有内容。

7. 移动文件或目录

使用mv命令。mv命令的基本语法与cp相似，但它是用来移动文件或目录的。如果目标位置是一个目录，则文件或目录会被移动到该目录下。如果目标位置是一个文件名，则源文件或目录会被重命名为该文件名。

8. 删除文件或目录

使用rm命令。例如，rm file_name会删除名为file_name的文件。使用-r选项可以递归删除目录及其所有内容。需要注意的是，rm命令默认不会给出提示，因此在使用时要格外小心，特别是与-r和-f（强制删除）选项结合使用时。

9. 查看文件或目录的权限

使用ls -l命令可以查看文件或目录的详细信息，包括权限部分。权限部分由三组字符组成，分别代表文件所有者的权限、所属组的权限以及其他用户的权限。每组字符中，r表示读权限，w表示写权限，x表示执行权限。

10. 修改文件或目录的权限

使用chmod命令。例如，chmod 755 file_name会将file_name的权限设置为所有者具有读、写和执行权限，所属组和其他用户具有读和执行权限。

六、文件系统与磁盘管理

磁盘是一个巨大的存储介质，假设一个磁盘800G，那么就需要分区管理。操作系统去管理磁盘的时候，先描述后组织。对于800G的硬盘，只需要定义一个结构，内部包含起始与结束。定义一个数组包含5个元素即可。当然，这200G（一个分区）还是太大，应该继续分层管理分成10G、5G（block group0，block group 1）等小区域。这个东西就叫做文件系统。

Linux ext2文件系统磁盘文件系统图（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。

Boot Block（引导块）是存储设备上的一部分，通常位于设备的起始位置，它的主要作用是在计算机启动过程中加载操作系统。Boot Block通常包含引导加载程序（Boot Loader），这是计算机启动时运行的第一个软件。引导加载程序负责初始化硬件、检查系统配置，并将控制权传递给操作系统的内核。在启动过程中，引导块会