磁盘与文件系统管理 | 彩潭有鲤的札记

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物理设备的命名规则

Linux系统中一切都是文件，硬件设备也不例外。既然是文件，就必须有文件名称。系统内核中的udev设备管理器会自动把硬件名称规范起来，目的是让用户通过设备文件的名字可以猜出设备大致的属性以及分区信息等；这对于陌生的设备来说特别方便。另外，udev设备管理器的服务会一直以守护进程的形式运行并侦听内核发出的信号来管理/dev目录下的设备文件。Linux系统中常见的硬件设备的文件名称：

硬件设备	文件名称
IDE设备	/dev/hd[a-d]
SCSI/SATA/U盘	/dev/sd[a-z]
virtio设备	/dev/vd[a-z]
软驱	/dev/fd[0-1]
打印机	/dev/lp[0-15]
光驱	/dev/cdrom
鼠标	/dev/mouse
磁带机	/dev/st0或/dev/ht0

由于现在的IDE设备已经很少见了，所以一般的硬盘设备都会是以/dev/sd开头的。而一台主机上可以有多块硬盘，因此系统采用a～p来代表16块不同的硬盘（默认从a开始分配），而且硬盘的分区编号也很有讲究：主分区或扩展分区的编号从1开始，到4结束；逻辑分区从编号5开始。

/dev目录中sda设备之所以是a，并不是由插槽决定的，而是由系统内核的识别顺序来决定的，恰巧很多主板的插槽顺序就是系统内核的识别顺序，因此才会被命名为/dev/sda

分区的数字编码不一定是强制顺延下来的，也有可能是手工指定的。sda3只能表示是编号为3的分区，不能判断sda设备上已经存在了3个分区。

首先，/dev/目录中保存的应当是硬件设备文件；其次，sd表示是存储设备；然后，a表示系统中同类接口中第一个被识别到的设备，最后，5表示这个设备是一个逻辑分区。/dev/sda5表示的就是“这是系统中第一块被识别到的硬件设备中分区编号为5的逻辑分区的设备文件”。

硬盘设备是由大量的扇区组成的，每个扇区的容量为512字节。其中第一个扇区最重要，它里面保存着主引导记录与分区表信息。就第一个扇区来讲，主引导记录需要占用446字节，分区表为64字节，结束符占用2字节；其中分区表中每记录一个分区信息就需要16字节，这样一来最多只有4个分区信息可以写到第一个扇区中，这4个分区就是4个主分区。第一个扇区中的数据信息：

第一个扇区最多只能创建出4个分区？

为了解决分区个数不够的问题，可以将第一个扇区的分区表中16字节（原本要写入主分区信息）的空间（称之为扩展分区）拿出来指向另外一个分区。也就是说，扩展分区其实并不是一个真正的分区，而更像是一个占用16字节分区表空间的指针—一个指向另外一个分区的指针。这样一来，用户一般会选择使用3个主分区加1个扩展分区的方法，然后在扩展分区中创建出数个逻辑分区，从而来满足多分区（大于4个）的需求。

所谓扩展分区，严格地讲它不是一个实际意义的分区，它仅仅是一个指向下一个分区的指针，这种指针结构将形成一个单向链表。

文件系统与数据资料

用户在硬件存储设备中执行的文件建立、写入、读取、修改、转存与控制等操作都是依靠文件系统来完成的。文件系统的作用是合理规划硬盘，以保证用户正常的使用需求。Linux系统支持数十种的文件系统，而最常见的文件系统如下所示。

Ext3：是一款日志文件系统，能够在系统异常宕机时避免文件系统资料丢失，并能自动修复数据的不一致与错误。然而，当硬盘容量较大时，所需的修复时间也会很长，而且也不能百分之百地保证资料不会丢失。它会把整个磁盘的每个写入动作的细节都预先记录下来，以便在发生异常宕机后能回溯追踪到被中断的部分，然后尝试进行修复。

Ext4：Ext3的改进版本，作为RHEL 6系统中的默认文件管理系统，它支持的存储容量高达1EB（1EB=1,073,741,824GB），且能够有无限多的子目录。另外，Ext4文件系统能够批量分配block块，从而极大地提高了读写效率。

XFS：是一种高性能的日志文件系统，而且是RHEL 7中默认的文件管理系统，它的优势在发生意外宕机后尤其明显，即可以快速地恢复可能被破坏的文件，而且强大的日志功能只用花费极低的计算和存储性能。并且它最大可支持的存储容量为18EB，这几乎满足了所有需求。

就像拿到了一张未裁切的完整纸张那样，首先要进行裁切以方便使用，然后在裁切后的纸张上画格以便能书写工整。在拿到了一块新的硬盘存储设备后，也需要先分区，然后再格式化文件系统，最后才能挂载并正常使用。硬盘的分区操作取决于您的需求和硬盘大小；您也可以选择不进行分区，但是必须对硬盘进行格式化处理。

日常在硬盘需要保存的数据实在太多了，因此Linux系统中有一个名为super block的硬盘地图。Linux并不是把文件内容直接写入到这个硬盘地图里面，而是在里面记录着整个文件系统的信息。因为如果把所有的文件内容都写入到这里面，它的体积将变得非常大，而且文件内容的查询与写入速度也会变得很慢。Linux只是把每个文件的权限与属性记录在inode中，而且每个文件占用一个独立的inode表格，该表格的大小默认为128字节(ext4与xfs可设定到 256 bytes)，里面记录着如下信息：

该文件的访问权限（read、write、execute）

该文件的所有者与所属组（owner、group）

该文件的大小（size）

该文件的创建或内容修改时间（ctime）

该文件的最后一次访问时间（atime）

该文件的修改时间（mtime）

文件的特殊权限（SUID、SGID、SBIT）

该文件的真实数据地址（point）

而文件的实际内容则保存在block块中（大小可以是1KB、2KB或4KB），一个inode的默认大小仅为128B（Ext3），记录一个block则消耗4B。当文件的inode被写满后，Linux系统会自动分配出一个block块，专门用于像inode那样记录其他block块的信息，这样把各个block块的内容串到一起，就能够让用户读到完整的文件内容了。对于存储文件内容的block块，有下面两种常见情况（以4KB的block大小为例进行说明）。

情况1：文件很小（1KB），但依然会占用一个block，因此会潜在地浪费3KB。

情况2：文件很大（5KB），那么会占用两个block（5KB-4KB后剩下的1KB也要占用一个block）。

计算机系统在发展过程中产生了众多的文件系统，为了使用户在读取或写入文件时不用关心底层的硬盘结构，Linux内核中的软件层为用户程序提供了一个VFS（Virtual File System，虚拟文件系统）接口，这样用户实际上在操作文件时就是统一对这个虚拟文件系统进行操作了。

从中可见，实际文件系统在VFS下隐藏了自己的特性和细节，这样用户在日常使用时会觉得“文件系统都是一样的”，也就可以随意使用各种命令在任何文件系统中进行各种操作了（比如使用cp命令来复制文件）。