文件系统

文件系统存储文件属性、文件内容和目录。这些内容是怎样在文件系统中存储的呢？Linux将磁盘块分成了3部分。

未命名文件.png

其中，

超级块用来存储文件系统本身的信息。

i-node节点表存放i-node节点，它存储了文件属性、所有者、权限等元数据信息

数据区分块存储文件数据，它是不连续存储的，一个文件的内容可能散落在数据区内部。

超级块

它是文件系统的第一个块。这个块存放文件系统结构信息，如每个区的大小，还记录这个磁盘块未使用空间信息。

i-node节点表

每个文件的属性信息存放在这个表中，以i-node号为索引，所有i-node大小相同，是一个i-node数组，每个文件在都对应着唯一一个i-node号，即一个唯一的i-node节点。但是某个i-node节点可能对应多个文件名，这个后面提到。

只需要记住：表中每个节点按位置标识。

数据区

数据区存放文件实际内容。磁盘是按固定大小分块的，如果一个文件的大小超过了一个块的内容，那就为它分配多个块来存储。一个文件可能散落在好几百个磁盘块上，那么文件系统是如何跟踪这些块的呢？

文件和目录的工作过程

1. 创建文件的过程

文件有文件名、文件属性和文件内容。文件名存放在目录中，并与i-node号建立关联，文件属性存放在i-node中，文件内容存放在数据区。

因此，创建文件的四个主要操作如下：

存储文件属性：内核在i-node表中找一个空的i-node

存储文件数据：根据文件大小分配合适数量的空磁盘块，(Unix使用成组链接法管理空闲盘块

记录分配情况：在第1步的i-node节点上记录了第2步分配的磁盘序列

添加文件名到目录：以的形式在目录中建立文件名和实际的物理块号的关联。

2. 目录的工作过程

目录说白了就是包含了文件名的列表，按上面的理解，本质上就是有个包含i-node节点号和文件名的列表。

要查看文件名和i-node，只需要在 ls命令加上 -i选项

Snip20190111_10.png

由上可知，所有从文件中读取数据的命令，例如cat, more, who等，以及高级接口调用，都是把文件名传给open系统调用。内核首先根据文件名在目录中寻找文件名，进而知道这个文件名对应的i-node号，然后拿这个i-node号在i-node表中定位目标i-node，获取这个文件属性信息，内核这时候根据文件的权限位和执行者的UID判断是否有权限执行这个操作，如果没有，open返回 -1，并设置全局变量errno为EPERM。如果权限允许，则根据i-node中保存的磁盘块序列到数据区按序读取文件内容。

一个问题：Linux如何跟踪大文件呢？

综合上面的讨论，我们知道，一个大的文件需要很多磁盘块，并且还知道i-node节点存放磁盘块的分配列表。问题就在于，固定大小的i-node如何存储大量，甚至超出节点范围的磁盘序列呢？

Unix/Linux的做法是：将磁盘分配列表的大部分存储在数据块，在i-node节点中存放指向那些块的指针

链接

1. 多重i-node和交叉链接

一个磁盘可以格式化为某一种类型的文件系统，一个文件系统自身是一棵独立目录树，而Linux允许多文件系统存在的原因是，它允许多个文件系统通过挂载形成一棵目录树(其实是树的树)。

Snip20190111_11.png

上图中，/dev/disk1s1 分区挂载在根目录/上， devfs挂载在/dev上。

注：分区是物理的，目录是逻辑的，分区必须挂载在具体目录上才能使用。

上面我们知道，一个磁盘中有i-node表，多个文件系统有多个i-node表。多棵树(文件系统)相互连接意味着一个i-node号并不唯一标识文件了，如不同文件系统的231号i-node指涉到不同的文件。

因此，Linux不允许从不同的文件系统生成指向同一文件的链接。

2. 符号链接

硬链接是将目录链接到树的指针，同时也是将文件名和文件本身(i-node)链接的指针。硬链接不能指向其他系统的i-node，即不能跨系统链接。为了支持跨系统，Linux提供了软连接(符号链接)。顾名思义，符号链接通过文件名引用文件，而不是i-node。

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如图所示，分别建立了a.txt 的硬链接 hardlink 和软链接 softlink ，检查发现，硬链接和源文件拥有同一个i-node号，而软链接与源文件的i-node不一样，softlink并不是原始文件a.txt, 但是读写它时，看起来跟原始文件一样。

Linux使用引用计数思想管理i-node，实际上一个文件名并不是实际的文件，只是一个指针，指向i-node，当i-node不再被指向，引用计数为0时，才实际删除文件数据。

硬链接按i-node引用文件的含义是：链接文件与原始文件引用同一个i-node，创建一个硬链接实际上增加一个到指定i-node的引用计数，删除某个硬链接只是减少一次计数，原始文件名仍指向该i-node，原始文件照常存在。

软链接按文件名引用的含义是：ln -s生成的文件是原始文件名的一个符号链接，这个软链接文件的文件属性(修改时间，文件大小等)都不同于原始文件，正因为它不涉及原始文件的i-node，因此才支持跨系统和到目录的链接。在交叉设备链接情况下，如果保存原始文件的目录被删除了，或原始文件改名了，符号链接失效。

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总而言之，硬链接按i-node引用文件， 软链接按文件名引用文件，硬链接类似于复制，软链接类似于快捷方式。

参考

《Unix/Linux编程实践教程》