Linux基础（二）：文件系统、文件存储结构

一、Linux文件系统

文件系统就是分区或磁盘上的所有文件的逻辑集合。

文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构，所有Linux 用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。

不同Linux发行版本之间的文件系统差别很少，主要表现在系统管理的特色工具以及软件包管理方式的不同，文件目录结构基本上都是一样的。

文件系统有多种类型，如：

ext2 ： 早期linux中常用的文件系统；
ext3 ： ext2的升级版，带日志功能；
RAMFS ： 内存文件系统，速度很快；
iso9660：光盘或光盘镜像；
NFS ： 网络文件系统，由SUN发明，主要用于远程文件共享；
MS-DOS ： MS-DOS文件系统；
FAT ： Windows XP 操作系统采用的文件系统；
NTFS ： Windows NT/XP 操作系统采用的文件系统。

分区与目录

文件系统位于磁盘分区中；一个硬盘可以有多个分区，也可以只有一个分区；一个分区只能包含一个文件系统。

Linux文件系统与Windows有较大的差别。Windows的文件结构是多个并列的树状结构，最顶部的是不同的磁盘（分区），如 C、D、E、F等。

Linux的文件结构是单个的树状结构，根目录是“/”，其他目录都要位于根目录下。

每次安装系统的时候我们都会进行分区，Linux下磁盘分区和目录的关系如下：
任何一个分区都必须对应到某个目录上，才能进行读写操作，称为“挂载”。
被挂载的目录可以是根目录，也可以是其他二级、三级目录，任何目录都可以是挂载点。
目录是逻辑上的区分。分区是物理上的区分。
根目录是所有Linux的文件和目录所在的地方，需要挂载上一个磁盘分区。

下图是常见的目录和分区的对应关系：



为什么要分区，如何分区？
可以把不同资料，分别放入不同分区中管理，降低风险。
大硬盘搜索范围大，效率低。
/home、/var、/usr/local 经常是单独分区，因为经常会操作，容易产生碎片。

为了便于定位和查找，Linux中的每个目录一般都存放特定类型的文件，下表列出了各种Linux发行版本的常见目录：

目录	说明
/	根目录，只能包含目录，不能包含具体文件。
/bin	存放可执行文件。很多命令就对应/bin目录下的某个程序，例如 ls、cp、mkdir。/bin目录对所有用户有效。
/dev	硬件驱动程序。例如声卡、磁盘驱动等，还有如 /dev/null、/dev/console、/dev/zero、/dev/full 等文件。
/etc	主要包含系统配置文件和用户、用户组配置文件。
/lib	主要包含共享库文件，类似于Windows下的DLL；有时也会包含内核相关文件。
/boot	系统启动文件，例如Linux内核、引导程序等。
/home	用户工作目录（主目录），每个用户都会分配一个目录。
/mnt	临时挂载文件系统。这个目录一般是用于存放挂载储存设备的挂载目录的，例如挂载CD-ROM的cdrom目录。
/proc	操作系统运行时，进程（正在运行中的程序）信息及内核信息（比如cpu、硬盘分区、内存信息等）存放在这里。/proc目录伪装的文件系统proc的挂载目录，proc并不是真正的文件系统。
/tmp	临时文件目录，系统重启后不会被保存。
/usr	/user目下的文件比较混杂，包含了管理命令、共享文件、库文件等，可以被很多用户使用。
/var	主要包含一些可变长度的文件，会经常对数据进行读写，例如日志文件和打印队列里的文件。
/sbin	和 /bin 类似，主要包含可执行文件，不过一般是系统管理所需要的，不是所有用户都需要。

df命令

管理磁盘分区时经常会使用 df (disk free) 命令，df -k 命令可以用来查看磁盘空间的使用情况（以千字节计），例如：

$df -k
Filesystem      1K-blocks      Used   Available Use% Mounted on
/dev/vzfs        10485760   7836644     2649116  75% /
/devices                0         0           0   0% /devices
$

每一列的含义如下：

列	说明
Filesystem	代表文件系统对应的设备文件的路径名（一般是硬盘上的分区）。
kbytes	分区包含的数据块（1024字节）的数目。
used	已用空间。
avail	可用空间。
capacity	已用空间的百分比。
Mounted on	文件系统挂载点。

某些目录（例如 /devices）的 kbytes、used、avail 列为0，use列为0%，这些都是特殊（或虚拟）文件系统，即使位于根目录下，也不占用硬盘空间。

你可以结合 -h (human readable) 选项将输出信息格式化，让人更易阅读。 

du 命令

du (disk usage) 命令可以用来查看特定目录的空间使用情况。

du 命令会显示每个目录所占用数据块。根据系统的不同，一个数据块可能是 512 字节或 1024 字节。举例如下：

$du /etc
10     /etc/cron.d
126    /etc/default
6      /etc/dfs
...
$

结合 -h 选项可以让信息显示的更加清晰：

$du -h /etc
5k    /etc/cron.d
63k   /etc/default
3k    /etc/dfs
...
$

挂载文件系统

挂载是指将一个硬件设备（例如硬盘、U盘、光盘等）对应到一个已存在的目录上。 若要访问设备中的文件，必须将文件挂载到一个已存在的目录上， 然后通过访问这个目录来访问存储设备。

这样就为用户提供了统一的接口，屏蔽了硬件设备的细节。Linux将所有的硬件设备看做文件，对硬件设备的操作等同于对文件的操作。

注意：挂载目录可以不为空，但挂载后这个目录下以前的内容将不可用。

需要知道的是，光盘、软盘、其他操作系统使用的文件系统的格式与linux使用的文件系统格式是不一样的，挂载需要确认Linux是否支持所要挂载的文件系统格式。

查看当前系统所挂载的硬件设备可以使用 mount 命令：

$ mount
/dev/vzfs on / type reiserfs (rw,usrquota,grpquota)
proc on /proc type proc (rw,nodiratime)
devpts on /dev/pts type devpts (rw)
$

一般约定，/mnt 为临时挂载目录，例如挂载CD-ROM、远程网络设备、软盘等。

也可以通过mount命令来挂载文件系统，语法为：

mount -t file_system_type device_to_mount directory_to_mount_to

例如：

$ mount -t iso9660 /dev/cdrom /mnt/cdrom

将 CD-ROM 挂载到 /mnt/cdrom 目录。

注意：file_system_type用来指定文件系统类型，通常可以不指定，Linux会自动正确选择文件系统类型。

挂载文件系统后，就可以通过 cd、cat 等命令来操作对应文件。

可以通过 umount 命令来卸载文件系统。例如，卸载 cdrom：

$ umount /dev/cdrom

不过，大部分现代的Linux系统都有自动挂载卸载功能，unmount 命令较少用到。

用户和群组配额

用户和群组配额可以让管理员为每个用户或群组分配固定的磁盘空间。

管理员有两种方式来分配磁盘空间：

软限制：如果用户超过指定的空间，会有一个宽限期，等待用户释放空间。
硬限制：没有宽限期，超出指定空间立即禁止操作。
下面的命令可以用来管理配额：

命令	说明
quota	显示磁盘使用情况以及每个用户组的配额。
edquota	编辑用户和群组的配额。
quotacheck	查看文件系统的磁盘使用情况，创建、检查并修复配额文件。
setquota	设置配额。
quotaon	开启用户或群组的配额功能。
quotaoff	关闭用户或群组的配额功能。
repquota	打印指定文件系统的配额。

二、Linux文件存储结构

大部分的Linux文件系统（如ext2、ext3）规定，一个文件由目录项、inode和数据块组成：

目录项：包括文件名和inode节点号。
Inode：又称文件索引节点，包含文件的基础信息以及数据块的指针。
数据块：包含文件的具体内容。

目录项

Linux系统中，目录（directory）也是一种文件。打开目录，实际上就是打开目录文件。

目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项（dirent）的列表。每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的inode号码。

ls命令只列出目录文件中的所有文件名：

ls /etc

ls -i命令列出整个目录文件，即文件名和inode号码：

ls -i /etc

inode

理解inode，要从文件储存说起。文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做"扇区"（Sector），每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。

操作系统读取硬盘的时候，不会一个扇区一个扇区地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"块"（block）。这种由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。"块"的大小，最常见的是4KB，即连续八个sector组成一个block。

文件数据都储存在"块"中，那么很显然，我们还必须找到一个地方储存文件的元信息，比如文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等等。这种储存文件元信息的区域就叫做inode，中文译名为"索引节点"。

inode包含文件的元信息内容：（存放除文件名之外的所有文件信息）

文件的字节数。
文件类型。
文件拥有者的User ID。
文件的Group ID。
文件的读、写、执行权限。
文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。
链接数，即有多少文件名指向这个inode。
文件数据block的位置（数据块指针）。
stat命令（display file or file system status）：查看某个文件或文件系统的status信息

文件存储结构示意图



inode的大小
inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。
每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，一般是每1KB或每2KB就设置一个inode。假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df -i 命令。

查看每个inode节点的大小，可以用如下命令：

sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep "Inode size"

由于每个文件都必须有一个inode，因此有可能发生inode已经用光，但是硬盘还未存满的情况。这时，就无法在硬盘上创建新文件。

inode号码
每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。
使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码，例如：

ls -i demo.txt

操作系统打开文件：

对Linux系统内部而言，打开文件不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。

表面上，用户通过文件名，打开文件。

系统内部这个过程分成三步：首先，系统在目录项中得到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取文件的所有信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

三、共享文件（静态共享）

现代常用的有两种共享方式。

硬链接

Linux系统允许，可以为一个或多个文件名指向同一个inode号码（索引节点中的链接计数count）。这意味着，可以用不同的文件名访问同样的内容；

同时对文件内容进行修改，会影响到所有文件名；但是，删除一个文件名，不影响另一个文件名的访问。这种情况就被称为"硬链接"（hard link）。

ln命令：创建硬链接

ln source_file target_file

运行上面这条命令以后，源文件与目标文件的inode号码相同，都指向同一个inode。

inode信息中有一项叫做"链接数"，记录指向该inode的文件名总数，这时就会增加1。反过来，删除一个文件名，就会使得inode节点中的"链接数"减1。当这个值减到0，表明没有文件名指向这个inode，系统就会回收这个inode号码，以及其所对应block区域（数据空间）。

软链接

除了硬链接以外，还有一种特殊情况。文件A和文件B的inode号码虽然不一样，但是文件A的内容是文件B的路径。读取文件A时，系统会自动将访问者导向文件B。因此，无论打开哪一个文件，最终读取的都是文件B。这时，文件A就称为文件B的"软链接"（soft link）或者"符号链接（symbolic link）。

这意味着，文件A依赖于文件B而存在，如果删除了文件B，打开文件A就会报错："No such file or directory"。这是软链接与硬链接最大的不同：文件A指向文件B的文件名，而不是文件B的inode号码，文件B的inode"链接数"不会因此发生变化。

ln -s命令可以创建软链接，语法为：

ln -s source_file target_file