7.1 认识Linux文件系统

文件系统特性

磁盘分区后要进行“格式化”，是因为：每种操作系统设置的文件属性/权限并不同，为了存放这些文件所需的数据，因此就需要将分区进行格式化，以成为操作系统能够利用的“文件系统格式（filesystem）”。
所以我们也能知道：不同操作系统能使用的文件系统也是不同的。

文件系统一般有inode, block, superblock等区块。每个inode和block都有编号。
superblock：记录filesystem的整体信息，包括inode/block的信息和文件系统的相关信息。
inode：记录文件的属性，一个文件占用1个inode，也记录文件数据所在block的号码。
block：记录文件的实际内容。一个文件如果过大可使用多个block。

所以找到了文件的inode，就可以知道文件的实际内容。这种数据存取方式称为索引式文件系统（indexed allocation）。

还有一种是inode只存储第一个block的编号，下一个block的编号存储在上一个block中。这样读取文件太麻烦。

Linux使用的Ext2是索引式文件系统。

Linux的Ext2文件系统

当文件系统过大时，将所有inode和block都放在一起并不容易管理，所以Ext2文件系统在格式化时会区分多个区块群组（block group），每个区块群组都有自己独立的 inode/block/superblock系统。

每一个block group的6个主要内容有：

1. data block

data block：用来放置文件内容数据的地方。
Ext2文件系统中的block大小有1K, 2K, 4K三种，格式化时block大小已固定且有编号。
block的限制：
block在格式化后大小与数量就不能再改了（除非重新格式化）；
每个block内最多只能放置1个文件的内容（文件过大可以使用多个block，但block有剩空间不能给别的文件使用）。

2. inode table

inode会记录文件的属性和文件实际数据存放在哪些block里。inode记录的文件数据至少有：
文件的存取模式（read/write/excute）；文件的拥有者和群组；文件的容量；ctime、atime、mtime；文件真正内容的指向（pointer）等。
inode数量和大小在格式化时也是固定了，每个innode大小固定为128Bytes，且每个文件只占用1个inode。
系统读取文件时要先找到inode，分析inode记录的权限和使用者是否符合，若符合才开始实际读取block的内容。
inode只固定有128Bytes，它记录一个block号码需要4Bytes。如果只是直接记录的话，文件过大时inode就记录不下了。所以系统将inode记录block的区域定义为12个直接，一个间接, 一个双间接与一个三间接记录区：
所谓直接，就是inode里直接存放记录文件内容的block的编码；间接，就是用一个block来当作记录block编码的记录区，然后inode里存放这个block的编码；双间接，就是inode记录第一个block的编码，第一个block记录第二个block的编码，记录存储文件实际内容的block编码的是在第二个block中。

举例计算一下这样的inode能指定多大的文件：
假设block大小为1K，
12个直接指向：12x1K=12K；
间接：每笔block号码的记录会用4Bytes，所以1K能记录256笔数据，所以是256x1K=256K；
双间接：类似间接，256x256x1K；
三间接：256x256x256x1K；
所以总额是：12+256+256x256+256x256x256(K)=16GB

3. Superblock

它是记录整个filesystem相关信息的地方。记录了：
block和inode的总量、使用/未使用量；
block和inode的大小；
filesystem 的挂载时间、最近一次写入数据的时间、最近一次检验磁盘 （fsck） 的时间等文件相关信息；
文件系统是否已被挂载（valid bit=1/0）。

一般一个文件系统只有一个Superblock（在第一个block group里），如果后面的block group也有，则是为了做备份（因为Superblock记录整个文件系统的信息，非常重要）。

4. Filesystem Description

这个区段可以描述每个 block group 的开始与结束的 block 号码，以及说明每个区段（superblock, bitmap, inodemap, data block） 分别介于哪一个 block 号码之间。

5. block bitmap（区块对照表）

记录使用与未使用的block号码。
如果删除某些文件，则这些文件对应的block号码的标志就要修改为“未使用中”。

6. inode bitmap（inode对照表）

记录使用与未使用的inode号码。

dumpe2fs

blkid # 这个指令可以得到系统有被格式化的设备，找出TYPE是Ext家族的设备来试指令
dumpe2fs 设备文件名

这个指令可以查询Ext家族superblock信息。

与目录树的关系

用文件系统创建一个目录时，文件系统会分配给目录一个inode和至少一个block。inode 记录该目录的相关权限与属性，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。

要查看文件夹里的文件占用的inode号码，可以使用 ls -i：

ls -li

目录的inode本身并不记录文件名，是目录的block在记录。所以增/删/改名是跟目录的w权限有关。

目录树从根目录开始读起，先通过挂载的信息找到挂载点的inode号码，由此得到根目录的inode内容，再根据inode读取根目录的block的文件名数据，再一层层往下读到文件名。

比如读取/etc/passwd的文件，读取流程是：
/的inode -> /的block -> etc/的inode（使用者要有r和x权限才可以往下读） -> etc/的block -> passwd的inode（使用者要有r权限才可以往下读） -> passwd的block。

EXT2/EXT3/EXT4 文件的存取与日志式文件系统的功能

如果要新增一个文件或目录，文件系统的工作是：

1. 确定使用者对该目录是否有w和x的权限；
2. 根据inode bitmap找到未使用的inode号码，将新文件的权限和属性写入；
3. 根据block bitmap找到未使用的block号码，将实际数据写入block，并更新 inode 的 block 指向数据；
4. 更新inode bitmap和block bitmap和superblock的内容。

一般将inode table和data block称为数据存放区域，superblock、block bitmap 与 inode bitmap 等区段就被称为 metadata （中介数据）。

日志式文件系统

数据不一致状态：如果系统因故中断，可能会导致只写入了inode table和data block，而没有改变metadata的内容，这样就会导致metadata内容与实际数据存放不一致的情况。

早期的Ext2文件系统在开机时会进行数据一致性的检查，但是这样要针对metadata区域与实际数据存放区域来进行比对，费时。
所以出现了日志式文件系统（Journaling filesystem）。文件系统会划分出一个区块专门记录写入或修改文件时的步骤，从而简化了一致性的检查。

1. 预备：系统要写入文件时，会先在日志记录区块中记录某个文件准备要写入的信息；
2. 实际写入：写入文件的权限和数据，同时更新metadata的数据；
3. 结束：完成写入后，在日志记录区块当中完成该文件的记录。

Linux文件系统的运行

磁盘写入/读取的速度要比内存慢很多，为了解决这个效率问题，Linux使用的方式是非同步处理（asynchronously）：
当系统载入一个文件到内存后，如果文件没有被改动过，则设置为干净（clean）的，否则是脏的（dirty）。系统会不定期将dirty的数据写回磁盘。也可以用 sync 指令手动强迫写入磁盘。关机指令会主动调用sync指令。

内存的速度比磁盘快很多，所以系统会将常用的文件数据放置到内存的缓冲区。

挂载点（mount point）的意义

一个文件系统要能够链接到目录树才能被我们使用。 将文件系统与目录树结合的动作我们称为“挂载”。注意：挂载点一定是目录，该目录为进入该文件系统的入口。

其他Linux支持的文件系统和VFS

要想知道 Linux 支持的文件系统有哪些，可以查看下面的目录：

 ls -l /lib/modules/$（uname -r）/kernel/fs

查看内核支持的文件系统：

 cat /proc/filesystems

整个Linux系统是使用Virtual Filesystem Switch(VFS)的核心功能去读取 filesystem 的，也就是说VFS管理着系统的filesystem。

XFS文件系统简介

由于Ext文件系统格式化需要划分好所有inode/block/metadata等数据，所以遇到大容量磁盘和巨型文件格式化会非常慢。
为了提高效率，会使用XFS系统。

XFS是一个日志式文件系统，数据分布主要分为三部分：一个数据区（data section）、一个文件系统活动登录区（log section）以及一个实时运行区 （realtime section）。
1. 数据区：
类似于ext家族，这个区块包括inode/data block/superblock等数据。它也分为多个存储区群组(allocation groups)。每个group包含了：(1)文件系统的superblock；(2)剩余空间的管理机制；(3)inode的分配与追踪。
它与ext家族不同的一点在于：inode和block都是在系统要用到时才动态配置产生(所以格式化更快)，且inode和block的容量不是固定的。
2. 文件系统活动登录区：
主要用来记录文件系统的变化。
因为系统所有动作都会在这个区块记录，所以这个区块的磁盘活动频繁。可以指定外部磁盘来作为这个区块，比如SSD磁盘，这样工作更快。
3. 实时运行区：
当有文件要被创建时，xfs会在这个区段里找一个或多个extent区块，将文件放置在这里。等到分配完毕后，再写到inode和block里。
extent区块的大小在格式化的时候就指定。

用 xfs_info 指令查看superblock的内容。

xfs_info 设备文件名

例：

# df指令查看文件系统磁盘使用情况，参数-T显示文件系统的格式
df -T /root
# 从上面指令的输出得知设备文件名是/dev/vda2
xfs_info /dev/vda2

7.2 文件系统的简单操作

磁盘与目录的容量

df [参数] [目录或文件名] # 列出文件系统的整体磁盘使用量
du [参数] [目录或文件名] # 列出文件系统的磁盘使用量

实体链接与符号链接：ln

格式：

ln [-sf] 来源文件 目标文件
# 参数-s：没有这个参数就是建立hard link，有就是建立symbolic link
# 参数-f：如果目标文件存在，则将存在的文件移除后再创建

1. Hard Link(实体/实际/硬式链接)：
一个文件占用一个inode，而hard link就是实现多个文件名对应一个inode，也就是把多个文件名链接到同一个inode，这多个文件名的所有相关信息都是一模一样的。

例如：

ll -i /etc/crontab
# 在root下，建立/root/crontab为/etc/crontab的hard link
# 格式：ln 原文件 hardlink
ln /etc/crontab .
ll -i /etc/crontab crontab
# 从输出可以看出两个文件的信息一模一样

示意图：

图的意思是：可以通过1或2的目录的inode指定的block找到2个不同的文件名，它们都可以指向real这个inode从而读取到同样的数据。无论用哪个文件名来编辑文件，最终结果都会写入到相同的inode和block里。
一般来说，使用hard link设置链接文件时，inode数目与磁盘空间不会改变。它只是在block中多写入了一个关联数据。而由于block里要写入内容，如果block满了，是有可能增加block数目的。而增加的block数目一般很小，所以一般不会影响到inode和磁盘。

hard link的限制：
（1）不能跨文件系统；（2）不能link目录。（第2点主要是因为如果建立了链接，那么目录下的文件都要建立，太复杂。）

2. Symbolic Link(符号链接)：
它就是文件会让数据的读取指向文件link的那个文件的文件名，只用文件来做指向动作。示意图如下：

# ln -s表示建立符号链接
ln -s /etc/crontab crontab2
ll -i /etc/crontab /root/crontab2
# 从输出可以看出两个文件的信息是不同的，且/root/crontab2的文件大小刚好是/etc/crontab的字符数

如果建立的是符号链接，那么当目标文件(例如/etc/crontab)被删除，就无法通过链接读取文件了。如果建立的是实际链接，如果删除了/etc/crontab，它只是把/etc下关于crontab的关连数据拿掉，crontab所在的inode和block并没有改变，仍然可以通过/root/crontab访问文件内容。

关于目录的link数量：
当我们以hard link建立文件链接时，文件的链接数会加1。
而当我们创建一个新的目录时，新目录link数为2，上层目录link数加1。这是因为：一个新目录基本有3样东西（举例新目录叫/tmp/test）：/tmp/test，/tmp/test/. ，/tmp/test/. . 。其中/tmp/test和/tmp/test/.是一样的，都代表本目录；/tmp/test/. .则代表/tmp这个目录。

7.3 磁盘的分区、格式化、检验与挂载

在系统里新增一块磁盘时，要做：

1. 对磁盘分区，创建可用的patition；
2. 对patition进行格式化，以创建系统可用的filesystem；
3. 对刚创建好的filesystem进行检验；
4. 在Linux系统上创建挂载点，并将它挂载上来。

观察磁盘分区状态

一：lsblk (list block device) 列出系统上的所有磁盘列表

lsblk [参数] [device]

默认输出信息有：
NAME：设备文件名；
MAJ:MIN：主要:次要设备代码；
RM：是否为可卸载设备；
SIZE：容量；
RO：是否为只读设备；
TYPE：是磁盘 （disk）、分区 （partition） 还是只读存储器 （rom） 等输出；
MOUTPOINT：挂载点。

二：blkid列出设备的UUID等参数

UUID是是全域单一识别码（universally unique identifier），每个设备有独一无二的识别码。

blkid

输出的每一行代表一个文件系统，列出设备名称、UUID名称和文件系统的类型。

三、parted列出磁盘的分区表类型与分区信息

parted 设备名字 print

磁盘分区：gdisk/fdisk

MBR分区用fdisk进行分区，GPT用gdisk进行分区。
首先要通过lsblk和blkid找到磁盘，再通过parted指令得到分区表类型是MBR还是GBT，之后采用gdisk/fdisk进行分区。
以gbisk为例：

gdisk 设备名称

离开gdisk时按下 q ，则刚才所有动作都不会生效；按下 w 反之。
这里的指令对应的字母不用记住，按下 ？就可以得到对应指令和字母。

例：增加和删除分区：
先查看一下当前磁盘的状态：

gdisk /dev/vda
p # p指令列出磁盘信息（磁盘文件名，总容量，分区表...）

开始新增分区：

n # n指令新增分区

接下来会输出：

Partition number （4-128, default 4）:

直接按enter键默认，也可以输入4。

接下来会输出：

First sector （34-83886046, default = 65026048） or {+-}size{KMGTP}:

输入新增分区的开始扇区号码位置，或按enter键取默认值。

接下来会输出：

Last sector （65026048-83886046, default = 83886046） or {+-}size{KMGTP}:

输入新增分区的结束扇区号码位置或者他的容量(例如+1G)。不要按enter键，因为默认值是用完整个磁盘。

接下来输出：

Current type is 'Linux filesystem'
Hex code or GUID （L to show codes, Enter = 8300）:

直接enter使用默认值。

新增分区完毕，按下 p 查看分区表，再按下 w 将更改写入磁盘分区表。

查看一下分区：

cat /proc/partirions

发现新增的分区还没有更新进来。这是因为Linux还在使用这块磁盘，为了防止系统出问题就还没更新。可以重新开机进行更新，也可以用 partprobe 指令。

partprobe [-s] # 加上-s显示信息

此时再查看分区，已经更新了。

开始删除分区：

gdisk /dev/vda
d # d指令删除分区

输出：

Partition number （1-6）:

输入要删除的分区号码。
再按下w写入前面的更改。

partprobe更新分区状态：

partprobe -s

磁盘格式化（创建文件系统）

分区完进行格式化。用mkfs(make filesystem)这个指令。

XFS文件系统 mkfs.xfs：

mkfs.xfs [一堆可选参数] 设备名

EXT4文件系统 mkfs.ext4：

mkfs.ext4 [可选参数] 设备名

想知道系统还支持什么文件系统的格式化：

mkfs[tab][tab]

连按两下tab键得到前缀为mkfs的所有指令。

文件系统校验

当文件系统出现问题时，可以用 xfs_repair（XFS文件系统） / fsck.ext4（ext4文件系统） 指令来检查修复文件系统。

xfs_repair [参数] 设备名
fsck.ext4 [参数] 设备名

执行这个指令时设备不能被挂载。
不要随便用这个指令。

文件系统挂载与卸载

要注意的点：一个文件系统不能挂载在多个目录中；一个目录不能挂载多个文件系统；要作为挂载点的目录要是空目录（如果挂载在非空的目录中，目录里的内容会暂时被隐藏，当文件系统卸载掉后恢复）。
挂载指令是 mount。

mount -a # -a表示将所有未挂载的磁盘都挂载上来
mount [-l] # 只输入mount会显示目前挂载的信息，加上-l会显示Label名称
mount [-t 文件系统类型] LABEL='...' 挂载点
mount [-t 文件系统类型] UUID='...' 挂载点
mount [-t 文件系统类型] 设备文件名 挂载点 # -t指定文件系统，不加参数-t系统会自动安排类型

mount还可以将一个目录挂载到另一个目录去，例如：

mkdir /data/var
mount --bind /var /data/var
ls -lid /var /data/var # 可以看到输出内容一样的

这样子进入/data/var就是进入/var。

根目录无法被卸载。若要修改挂载参数，或者根目录出现只读状态，可以重新挂载：

mount -o remount, rw, auto /
# -o rw, auto是mount的参数，表示文件系统为可读写状态，
# 并允许该文件系统被以 mount -a 自动挂载

卸载指令是umount。

umount [-fnl] 设备文件名或挂载点
# -f: 强制卸载
# -l: 立即卸载
# -n: 不更新 /etc/mtab 情况下卸载

磁盘/文件系统参数修订

mknod:
硬件文件名系统已可以自动产生，有时候可能会需要手动，就需要mknod指令来创建。
Linux是通过文件的major和minor（主要和次要设备代码）数值来知道文件代表哪个设备的。那我们创建硬件文件时就要指定好文件的major和minor。

mknod 设备文件名 [bcp] [major] [minor]
# 参数b: 设置设备名称成为一个周边储存设备文件
# 参数c: 设置设备名称成为一个周边输入设备文件
# 参数p: 设置设备名称成为一个 FIFO 文件

xfs_admin:
这个指令可修改XFS文件系统的UUID和Label name。

xfs_admin [-lu] [-L label] [-U uuid] 设备文件名
# -l:列出设备的label name
# -u:列出设备的uuid
# -L:设置设备的label name
# -U:设置设备的uuid

（uuidgen 指令可以生成新的uuid。）

tune2fs:
该指令修改ext4的label name和UUID。

tune2fs [-l] [-L label] [-U uuid] 设备文件名

7.4 设置开机挂载

本节要让系统可以在开机时自动进行挂载。可以直接到 /etc/fstab（filesystem table） 这个文件里修改。
这个文件的内容格式是：

# [设备/uuid/label name等] [挂载点] [文件系统] [文件系统参数] [dump] [fsck]

文件系统参数有：async/sync，auto/noauto，rw/ro，exec/noexec，user/nouser，suid/nosuid，defaults。
dump是用来做备份的指令，要用dump来备份就设为1，不要就0。现在有很多备份方案，直接设为0。
fsck设为1表示会在开机时检验文件系统，设为0不检验。因为xfs系统会自己进行检验，直接设为0就好。

例：将/dev/vda4开机自动挂载到/data/xfs

nano /etc/fstab
UUID="..." /data/xfs xfs defaults 0 0
# UUID是/dev/vda4的

7.5 内存交换空间（swap）之创建

当有某个程序用掉大部分内存导致内存不足时，内存交换空间就可以用来暂时存放内存里暂不使用的程序和数据，使内存挪出足够的空间给需要的程序使用。

使用实体分区创建swap

步骤：分区 -> 格式化 -> 启动 -> 观察(free和swapon -s指令)。

# 分区
gdisk /dev/vda # 分的时候partition number默认为6
# w指令写入更改
# partprobe让分区生效

# 开始创建
mkswap /dev/vda6
free # free指令查看
# 启动
swapon /dev/vda6
free
swapon -s # 查看目前使用的swap设备
# 写入配置文件
nano /etc/fstab
UUID='...' swap swap defaults 0 0
# 因为不是文件系统没有挂载点，所以第二个参数写swap即可

使用文件创建swap

如果磁盘已无未分区的容量，可以考虑使用大型文件取代磁盘设备的处理方式。

# dd指令创建128MB的文件
dd if=/dev/zero of=/tmp/swap bs=1M count=128
# if:input file，/dev/zero是会一直输出0的设备
# of:output file，将一堆0写入该文件# 创建
mkswap /tmp/swap
# 启动
swapon /tmp/swap
# 查看正在使用的swap设备
swapon -s
# 设置自动启用
nano /etc/fstab
/tmp/swap swap swap defaults 0 0
# 关掉swap file
swapoff /tmp/swap /dev/vda6
# 关掉之后恢复原来状态，用swapon -s查看
swapon -a
swapon -s

课后习题

题目：我的用户希望能够独立一个 filesystem附挂在 /srv/myproject 目录下。 那你该如何创建新的 filesystem ，并且让这个 filesystem每次开机都能够自动的挂载到 /srv/myproject ， 且该目录是给 project 这个群组共享的，其他人不可具有任何权限。且该 filesystem 具有 1GB 的容量。

答：
① 创建新的partition。

gdisk /dev/vda

按下 ‘n’ 新建分区，按下 ‘enter’ 默认分区号码，按下 ‘enter’ 默认启动柱面，输入 ‘+1G’ 创建1G的磁盘分区，按下 ‘enter’ 默认文件系统，最后按下 ‘w’ 写入更改。

partprobe

用该指令更新分区表。

② 格式化文件系统。

mkfs.xfs -f /dev/vda4

③ 挂载。

mkdir /srv/myproject # 创建挂载点
# 自动挂载
nano /etc/fstab
/dev/vda4 /srv/myproject xfs defaults 0 0
# 看有无挂载成功
mount -a # 自动挂载
df /srv/myproject

④ 设置权限。

chgrp project /srv/myproject
chmod 2770 /srv/myproject

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