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Linux系統(tǒng)篇-文件系統(tǒng)&虛擬文件系統(tǒng)（非常重要

時(shí)間:2019-11-13 00:56來(lái)源:網(wǎng)絡(luò)整理 瀏覽:次
1.軟鏈接和硬鏈接的區(qū)別 我們知道文件都有文件名與數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分兩部分：用戶數(shù)據(jù) (user data) 與元數(shù)據(jù) (metadata)。用

Linux系統(tǒng)篇-文件系統(tǒng)&amp;虛擬文件系統(tǒng)（非常重要?。? /></p> <p><strong>1.軟鏈接和硬鏈接的區(qū)別</strong></p> <p>我們知道文件都有文件名與數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分兩部分：用戶數(shù)據(jù) (user data) 與元數(shù)據(jù) (metadata)。用戶數(shù)據(jù)，即文件數(shù)據(jù)塊 (data block)，數(shù)據(jù)塊是記錄文件真實(shí)內(nèi)容的地方;而元數(shù)據(jù)則是文件的附加屬性，如文件大小、創(chuàng)建時(shí)間、所有者等信息。在 Linux 中，元數(shù)據(jù)中的 inode 號(hào)(inode 是文件元數(shù)據(jù)的一部分但其并不包含文件名，inode 號(hào)即索引節(jié)點(diǎn)號(hào))才是文件的唯一標(biāo)識(shí)而非文件名。文件名僅是為了方便人們的記憶和使用，系統(tǒng)或程序通過(guò) inode 號(hào)尋找正確的文件數(shù)據(jù)塊</p> <p>為解決文件的共享使用，Linux 系統(tǒng)引入了兩種鏈接：硬鏈接 (hard link) 與軟鏈接(又稱符號(hào)鏈接，即 soft link 或 symbolic link)。鏈接為 Linux 系統(tǒng)解決了文件的共享使用，還帶來(lái)了隱藏文件路徑、增加權(quán)限安全及節(jié)省存儲(chǔ)等好處。若一個(gè) inode 號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)文件名，則稱這些文件為硬鏈接。硬鏈接就是同一個(gè)文件使用了多個(gè)別名</p> <p>由于硬鏈接是有著相同 inode 號(hào)僅文件名不同的文件，因此硬鏈接存在以下幾點(diǎn)特性：</p> <ul> <li>文件有相同的 inode 及 data block;</li> <li>只能對(duì)已存在的文件進(jìn)行創(chuàng)建;</li> <li>不能交叉文件系統(tǒng)進(jìn)行硬鏈接的創(chuàng)建;</li> <li>不能對(duì)目錄進(jìn)行創(chuàng)建，只可對(duì)文件創(chuàng)建;</li> <li>刪除一個(gè)硬鏈接文件并不影響其他有相同 inode 號(hào)的文件。</li> </ul> <p>inode 號(hào)僅在各文件系統(tǒng)下是唯一的，當(dāng) Linux 掛載多個(gè)文件系統(tǒng)后將出現(xiàn) inode 號(hào)重復(fù)的現(xiàn)象，因此硬鏈接創(chuàng)建時(shí)不可跨文件系統(tǒng)</p> <p>軟鏈接與硬鏈接不同，若文件用戶數(shù)據(jù)塊中存放的內(nèi)容是另一文件的路徑名的指向，則該文件就是軟連接。軟鏈接就是一個(gè)普通文件，只是數(shù)據(jù)塊內(nèi)容有點(diǎn)特殊。軟鏈接有著自己的 inode 號(hào)以及用戶數(shù)據(jù)塊。因此軟鏈接的創(chuàng)建與使用沒(méi)有類似硬鏈接的諸多限制：</p> <ul> <li>軟鏈接有自己的文件屬性及權(quán)限等;</li> <li>可對(duì)不存在的文件或目錄創(chuàng)建軟鏈接;</li> <li>軟鏈接可交叉文件系統(tǒng);</li> <li>軟鏈接可對(duì)文件或目錄創(chuàng)建;</li> <li>創(chuàng)建軟鏈接時(shí)，鏈接計(jì)數(shù) i_nlink 不會(huì)增加;</li> <li>刪除軟鏈接并不影響被指向的文件，但若被指向的原文件被刪除，則相關(guān)軟連接被稱為死鏈接(即 dangling link，若被指向路徑文件被重新創(chuàng)建，死鏈接可恢復(fù)為正常的軟鏈接)。</li> <li>一般情況下，文件名和inode號(hào)碼是"一一對(duì)應(yīng)"關(guān)系，每個(gè)inode號(hào)碼對(duì)應(yīng)一個(gè)文件名。但是，Unix/Linux系統(tǒng)允許，多個(gè)文件名指向同一個(gè)inode號(hào)碼。這意味著，可以用不同的文件名訪問(wèn)同樣的內(nèi)容;對(duì)文件內(nèi)容進(jìn)行修改，會(huì)影響到所有文件名;但是，刪除一個(gè)文件名，不影響另一個(gè)文件名的訪問(wèn)。這種情況就被稱為"硬鏈接"(hard link)。</li> </ul> <p><strong>2.Linux VFS</strong></p> <p>Linux 有著極其豐富的文件系統(tǒng)，大體上可分如下幾類：</p> <ul> <li>網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，如 nfs、cifs 等;</li> <li>磁盤文件系統(tǒng)，如 ext4、ext3 等;</li> <li>特殊文件系統(tǒng)，如 proc、sysfs、ramfs、tmpfs 等。</li> </ul> <p>實(shí)現(xiàn)以上這些文件系統(tǒng)并在 Linux 下共存的基礎(chǔ)就是 Linux VFS(Virtual File System 又稱 Virtual Filesystem Switch)，即虛擬文件系統(tǒng)。VFS 作為一個(gè)通用的文件系統(tǒng)，抽象了文件系統(tǒng)的四個(gè)基本概念：文件、目錄項(xiàng) (dentry)、索引節(jié)點(diǎn) (inode) 及掛載點(diǎn)，其在內(nèi)核中為用戶空間層的文件系統(tǒng)提供了相關(guān)的接口。VFS 實(shí)現(xiàn)了 open()、read() 等系統(tǒng)調(diào)并使得 cp 等用戶空間程序可跨文件系統(tǒng)。VFS 真正實(shí)現(xiàn)了上述內(nèi)容中：在 Linux 中除進(jìn)程之外一切皆是文件。</p> <p>Linux VFS 存在四個(gè)基本對(duì)象：超級(jí)塊對(duì)象 (superblock object)、索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象 (inode object)、目錄項(xiàng)對(duì)象 (dentry object) 及文件對(duì)象 (file object)。超級(jí)塊對(duì)象代表一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng);索引節(jié)點(diǎn)對(duì)象代表一個(gè)文件;目錄項(xiàng)對(duì)象代表一個(gè)目錄項(xiàng)，如設(shè)備文件 event5 在路徑 /dev/input/event5 中，其存在四個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象：/ 、dev/ 、input/ 及 event5。文件對(duì)象代表由進(jìn)程打開(kāi)的文件。為文件路徑的快速解析，Linux VFS 設(shè)計(jì)了目錄項(xiàng)緩存(Directory Entry Cache，即 dcache)。</p> <p><strong>3.文件的打開(kāi)過(guò)程</strong></p> <p>open()系統(tǒng)調(diào)用的過(guò)程如下：</p> <ul> <li>查看system-wide open-file table(系統(tǒng)打開(kāi)文件表)中是否有該文件，即查看該文件是否已經(jīng)被其他進(jìn)程打開(kāi)了</li> <li>如果存在，那么該進(jìn)程會(huì)在自己的per-process open-file table(進(jìn)程打開(kāi)文件表)中，建立一個(gè)項(xiàng)目，指向system-wide open-file table中的該文件</li> <li>如果不存在，則需要根據(jù)file name在directory中查找該file，通常directory中的部分內(nèi)容在cache中，這樣可以加快搜索速度。</li> <li>一旦文件被找到，那么FCB(file control block)文件控制塊會(huì)被復(fù)制到system-wide open-file table中，該表不僅僅保存FCB，而且記錄每個(gè)文件被多少個(gè)進(jìn)程打開(kāi)</li> <li>接下來(lái)，在per-process open-file table(進(jìn)程打開(kāi)文件表)中，簡(jiǎn)直一個(gè)entry，指向進(jìn)程打開(kāi)文件表中該項(xiàng)目</li> </ul> <p>當(dāng)進(jìn)程close()一個(gè)文件時(shí)：</p> <ul> <li>該進(jìn)程的per-process open-flle table中的對(duì)應(yīng)項(xiàng)會(huì)被刪除，系統(tǒng)打開(kāi)表中的該文件計(jì)數(shù)器會(huì)減1</li> <li>如果系統(tǒng)打開(kāi)表中的計(jì)算為0，那么刪除該文件項(xiàng)</li> </ul> <p><strong>4.inode的理解</strong></p> <p>操作系統(tǒng)讀取硬盤的時(shí)候，不會(huì)一個(gè)個(gè)扇區(qū)地讀取，這樣效率太低，而是一次性連續(xù)讀取多個(gè)扇區(qū)，即一次性讀取一個(gè)"塊"(block)。這種由多個(gè)扇區(qū)組成的"塊"，是文件存取的最小單位。"塊"的大小，最常見(jiàn)的是4KB，即連續(xù)八個(gè) sector組成一個(gè) block。</p> <p>文件數(shù)據(jù)都儲(chǔ)存在"塊"中，那么很顯然，我們還必須找到一個(gè)地方儲(chǔ)存文件的元信息，比如文件的創(chuàng)建者、文件的創(chuàng)建日期、文件的大小等等。這種儲(chǔ)存文件元信息的區(qū)域就叫做inode，中文譯名為"索引節(jié)點(diǎn)"。</p> <p>inode包含文件的元信息，具體來(lái)說(shuō)有以下內(nèi)容：</p> <p>* 文件的字節(jié)數(shù)</p> <p>* 文件擁有者的User ID</p> <p>* 文件的Group ID</p> <p>* 文件的讀、寫、執(zhí)行權(quán)限</p> <p>* 文件的時(shí)間戳，共有三個(gè)：ctime指inode上一次變動(dòng)的時(shí)間，mtime指文件內(nèi)容上一次變動(dòng)的時(shí)間，atime指文件上一次打開(kāi)的時(shí)間。</p> <p>* 鏈接數(shù)，即有多少文件名指向這個(gè)inode</p> <p>* 文件數(shù)據(jù)block的位置</p> <p>除了文件名以外的所有文件信息，都存在inode之中</p> <p>每個(gè)inode都有一個(gè)號(hào)碼，操作系統(tǒng)用inode號(hào)碼來(lái)識(shí)別不同的文件。</p> <p>表面上，用戶通過(guò)文件名，打開(kāi)文件。實(shí)際上，系統(tǒng)內(nèi)部這個(gè)過(guò)程分成三步：首先，系統(tǒng)找到這個(gè)文件名對(duì)應(yīng)的inode號(hào);其次，通過(guò)inode號(hào)，獲取inode信息;最后，根據(jù)inode信息，找到文件數(shù)據(jù)所在的block，讀出數(shù)據(jù)。</p> <p>目錄(directory)也是一種文件，目錄文件的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，就是一系列目錄項(xiàng)(dirent)的列表。每個(gè)目錄項(xiàng)，由兩部分組成：所包含文件的文件名，以及該文件名對(duì)應(yīng)的inode號(hào)碼。</p> <p><strong>數(shù)據(jù)塊尋址</strong></p> <p>inode中記錄了文件數(shù)據(jù)塊的位置，有三種尋址方式：direct blocks直接指向數(shù)據(jù)塊;single indirect指向一個(gè)block，該block中為數(shù)據(jù)塊的指針;double indirect，兩級(jí)block</p> <center><img src=

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