Linux文件系统层次

  • 用户空间：用户使用的各种应用程序
  • 内核空间：进一步分为文件管理系统和设备驱动

文件管理系统：包括虚拟文件系统VFS和具体文件系统

设备驱动：包括缓冲区和设备驱动

虚拟文件系统

  • 虚拟文件系统：Virtual Filesystem Switch，一种对真实文件系统的抽象和软件实现，定义了所有文件系统都支持的、基本的 、 抽象的接口和数据结构

VFS对于具体的文件系统，允许同时使用不同的文件系统，例如在不同的文件系统之间复制或移动文件，而对于其他内核的子系统及其用户的各种不同应用程序，VFS提供统一接口，使得程序开发者无需关注Linux实际使用的文件系统，因此Linux支持同时使用多个不同的文件系统

具体文件系统（如ext4，xfs，btrfs等等）实现了VFS 定义的抽象接口和数据结构，将自身的诸如文件 、 目录等概念在形式上与 VFS 的定义保持一致，在统一的接口和数据结构下隐藏了具体的实现细节

  • VFS的数据结构

超级块：superblock，存放系统中已安装的文件系统的所有信息，对基于磁盘的文件系统，这类对象通常对英语存放在磁盘上的文件系统控制块，即每个文件系统都有一个超级块对象

索引节点：index node，存放对于具体文件的元数据信息，每个文件都有一个索引节点，每个索引节点对象有一个索引节点号，该号唯一标识了在某个文件系统中的指定文件

目录项：dentry，存放目录项与对应文件进行链接的信息，VFS将每个目录是为有若干个子目录和文件组成的常规文件

文件：file，存放打开文件与进程之间进行交互的信息，该信息仅当进程访问文件存放于内存中

Ext4

图片显示了Ext4的布局，磁盘划分为分区，每个分区又划分为N个块组，每个块组中又根据块组的编号有不同的内部结构

  • 引导快：该磁盘分区的第一个块，若该分区存放操作系统，则记录引导启动信息，用于引导启动该分区安装的系统，通常占用2KB
  • 超级块：记录关于封闭文件系统的各种信息，比如块数量（已用和未用数量），inode数量（已用和未用数量），支持的功能特性，维护信息（比如分区上有多少个块组，块组的数据区和元数据区，）等等

超级块有备份，一般只使用块组0中的超级块（即主超级块），主超级块损坏则可以从超级块的备份信息中恢复

  • 块组描述符：Group Descriptor，GDT，主要包含块位图，inode位图和inode表位置，当前空闲块数，inode数及其使用的目录树（用于平衡各个块组目录数），每个块组都有一个

GDT同样有备份

  • 预留GDT：创建文件兄同时，为了便于将来扩展文件系统，块组描述符表后分配预留的数据块
  • 块位图：Block bitmap，用来标识Block Group中的block使用情况，其中的每一位代表该Block Group中的一个block，如果是1则代表使用，如果是0则代表空闲

通过Block bitmap，可以快速知道该block group中每个block的使用情况

  • inode位图：inode bitmap，用于描述该块组所管理的inode的分配状态，如果inode位图中相应位置为1，那么代表该inode已经分配出去，否则可以使用

inode中包含下列信息：inode编号，文件大小，属主（User ID），属组（Group ID），权限（rwx），时间戳（ctime，mtime，atime），链接数，指向存放文件实际数据块的块指针（直接指针和最高三级间接指针）

  • inode表：inode table，用于存储inode信息，占用一个或多个块（占用多块的目的是更好的利用空间），大小取决于文件系统创建时的参数
  • 数据块：data block，前面的数据结构存放了Ext4文件系统的元数据，其他磁盘空间用于存放文件的真正内容，因此称为数据块

Ext4文件管理

Ext4文件系统内部使用inode number识别文件，任何文件在其分区内都有为一个的inode number，且通过块指针与文件数据关联，文件名仅用于使用者方便记忆，实际上Ext4不存储文件名

由于Linux一切皆为文件（磁盘设备也是），因此目录文件的结构非常简单，也即一系列的目录项的列表，每个目录项均由目录直接子文件的文件名和对应的inode号码组成，根目录由Linux内核直接管理并记录其inode number

  • 需要注意的是，子文件的子文件不会记录在目录内，因为不是直接子文件，目录项内仅记录直接子文件

因此通过根目录及其子目录，找到文件名对应的inode number，再根据inode number中指向数据块的块指针就可以找到文件内容数据

示例：假如说想要找到/home/temp/test.txt文件

  • 先通过内核找到根目录的inode number，并通过该inode number找到根目录的块指针
  • 通过块指针找到根目录的数据块，根据其中的数据找到下级目录/home对应的inode number
  • 重复上述步骤，直到找到test.txt文件

需要注意的是，文件查找过程不一定可以找到，若文件不存在，则在查找/home/temp的目录项时会发现没有test.txt的记录，从而报错：No such file or directory

对于ls等命令，仅需要找到/home/temp的目录项即可，而对于vim或cat访问test.txt文件的命令，则需要找到最后的数据块

  • 硬链接

多个文件同时只想一个inode，这些文件的inode number相同

硬链接表名文件可能通过不同的文件名访问

但是不能对目录创建硬链接

硬链接不能跨分区

每多一个硬链接，inode中的引用计数器会+1

  • 软链接

文件及其软链接使用的不是同一个inode，因此inode number不相同

软链接实际数据是另一个文件的路径，即本质是一个字符串，软链接文件的大小取决于该路径字符串的长度

可以对目录创建软链接

可以跨分区

增加文件软链接不会增加inode引用计数器