Linux文件系统的基本组成

文件系统是操作系统中负责管理持久数据的子系统,说简单点,就是负责把用户的文件存到磁盘硬件中,因为即使计算机断电了,磁盘里的数据并不会丢失,所以可以持久化的保存文件。

文件系统的基本数据单位是文件,它的目的是对磁盘上的文件进行组织管理,那组织的方式不同,就会形成不同的文件系统。

Linux 最经典的一句话是:「一切皆文件」,不仅普通的文件和目录,就连块设备、管道、socket 等,也都是统一交给文件系统管理的。

Linux 文件系统会为每个文件分配两个数据结构:索引节点(index node)和目录项(directory entry,它们主要用来记录文件的元信息和目录层次结构。

  • 索引节点,也就是 inode,用来记录文件的元信息,比如 inode 编号、文件大小、访问权限、创建时间、修改时间、数据在磁盘的位置等等。索引节点是文件的唯一标识,它们之间一一对应,也同样都会被存储在硬盘中,所以索引节点同样占用磁盘空间
  • 目录项,也就是 dentry,用来记录文件的名字、索引节点指针以及与其他目录项的层级关联关系。多个目录项关联起来,就会形成目录结构,但它与索引节点不同的是,目录项是由内核维护的一个数据结构,不存放于磁盘,而是缓存在内存

由于索引节点唯一标识一个文件,而目录项记录着文件的名,所以目录项和索引节点的关系是多对一,也就是说,一个文件可以有多个别字。比如,硬链接的实现就是多个目录项中的索引节点指向同一个文件。

注意,目录也是文件,也是用索引节点唯一标识,和普通文件不同的是,普通文件在磁盘里面保存的是文件数据,而目录文件在磁盘里面保存子目录或文件。

目录项和目录是一个东西吗?

虽然名字很相近,但是它们不是一个东西,目录是个文件,持久化存储在磁盘,而目录项是内核一个数据结构,缓存在内存。

如果查询目录频繁从磁盘读,效率会很低,所以内核会把已经读过的目录用目录项这个数据结构缓存在内存,下次再次读到相同的目录时,只需从内存读就可以,大大提高了文件系统的效率。

注意,目录项这个数据结构不只是表示目录,也是可以表示文件的。

那文件数据是如何存储在磁盘的呢?

磁盘读写的最小单位是扇区,扇区的大小只有 512B 大小,很明显,如果每次读写都以这么小为单位,那这读写的效率会非常低。

所以,文件系统把多个扇区组成了一个逻辑块,每次读写的最小单位就是逻辑块(数据块),Linux 中的逻辑块大小为 4KB,也就是一次性读写 8 个扇区,这将大大提高了磁盘的读写的效率。

以上就是索引节点、目录项以及文件数据的关系,下面这个图就很好的展示了它们之间的关系:

图片[1]-Linux文件系统的基本组成-不念博客
关系

索引节点是存储在硬盘上的数据,那么为了加速文件的访问,通常会把索引节点加载到内存中。

另外,磁盘进行格式化的时候,会被分成三个存储区域,分别是超级块、索引节点区和数据块区。

  • 超级块,用来存储文件系统的详细信息,比如块个数、块大小、空闲块等等。
  • 索引节点区,用来存储索引节点;
  • 数据块区,用来存储文件或目录数据;

我们不可能把超级块和索引节点区全部加载到内存,这样内存肯定撑不住,所以只有当需要使用的时候,才将其加载进内存,它们加载进内存的时机是不同的:

  • 超级块:当文件系统挂载时进入内存;
  • 索引节点区:当文件被访问时进入内存;
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