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The File System（文件系統(tǒng)）

2019-11-17 05:37:53
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供稿：網(wǎng)友

　　本章描述linux如何維護它支持的文件系統(tǒng)中的文件。描述了虛擬文件系統(tǒng)（Virtual File System VFS）并解釋了Linux核心中真實的文件系統(tǒng)如何被支持

　

Linux的一個最重要的特點之一使它可以支持許多不同的文件系統(tǒng)。這讓它非常靈活，可以和許多其他操作系統(tǒng)共存。在寫作本章的時候，Linux可一直支持15種文件系統(tǒng)：ext、ext2、xia、minix、umsdos、msdos、vfat、PRoc、smb、ncp、iso9660、sysv、hpfs、affs和ufs，而且不容置疑，隨著時間流逝，會加入更多的文件系統(tǒng)。

　

在Linux中，象Unix一樣，系統(tǒng)可以使用的不同的文件系統(tǒng)不是通過設備標識符（例如驅動器編號或設備名稱）訪問，而是連接成一個單一的樹型的結構，用一個統(tǒng)一的單個實體表示文件系統(tǒng)。Linux在文件系統(tǒng)安裝的時候把它加到這個單一的文件系統(tǒng)樹上。所有的文件系統(tǒng)，不管什么類型，都安裝在一個目錄，安裝的文件系統(tǒng)的文件掩蓋了這個目錄原來存在的內(nèi)容。這個目錄叫做安裝目錄或安裝點。當這個文件系統(tǒng)卸載的時候，安裝目錄自己的文件又可以顯現(xiàn)出來。

　

當磁盤初始化的時候（比如用fdisk），利用一個分區(qū)結構把物理磁盤劃分成一組邏輯分區(qū)。每一個分區(qū)可以放一個文件系統(tǒng)，例如一個EXT2文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)在物理設備的塊上通過目錄、軟鏈接等把文件組織成邏輯的樹型結構。可以包括文件系統(tǒng)的設備是塊設備。系統(tǒng)中的第一個IDE磁盤驅動器的第一個分區(qū)，IDE磁盤分區(qū)/dev/hda1，是一個塊設備。Linux文件系統(tǒng)把這些塊設備看成簡單的線性的塊的組合，不知道也不去關心底層的物理磁盤的尺寸。把對設備的特定的塊的讀的請求映射到對于設備有意義的術語：這個塊保存在硬盤上的磁道、扇區(qū)和柱面，這是每一個塊設備驅動程序的任務。一個文件系統(tǒng)不管它保存在什么設備上，都應該用同樣的方式工作，有同樣的觀感。另外，使用Linux的文件系統(tǒng)，是否這些不同的文件系統(tǒng)在不同的硬件控制器的控制下的不同的物理介質(zhì)上都是無關緊要的（至少對于系統(tǒng)用戶是這樣）。文件系統(tǒng)甚至可能不在本地系統(tǒng)上，它可能是通過網(wǎng)絡連接遠程安裝的。考慮以下的例子，一個Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)在一個SCSI磁盤上。

　

A E boot etc lib opt tmp usr

C F cdrom fd proc root var sbin

D bin dev home mnt lost+found

　

不管是操作這些文件的用戶還是程序都不需要知道/C實際上是在系統(tǒng)的第一個IDE磁盤上的一個安裝的VFAT文件系統(tǒng)。本例中（實際是我家中的Linux系統(tǒng)），/E是次IDE控制器上的master IDE磁盤。第一個IDE控制器是PCI控制器，而第二個是ISA控制器，也控制著IDE CDROM，這些也都無關緊要。我可以用一個modem和PPP網(wǎng)絡協(xié)議撥號到我工作的網(wǎng)絡，這時，我可以遠程安裝我的Alpha AXP Linux系統(tǒng)的文件系統(tǒng)到/mnt/remote。

　

文件系統(tǒng)中的文件包含了數(shù)據(jù)的集合：包含本章源的文件是一個ASCII文件，叫做filesystems.tex。一個文件系統(tǒng)不僅保存它包括的文件的數(shù)據(jù)，也保存文件系統(tǒng)的結構。它保存了Linux用戶和進程看到的所有的信息，例如文件、目錄、軟鏈接、文件保護信息等等。另外，它必須安全地保存這些信息，操作系統(tǒng)的基本的一致性依靠于它的文件系統(tǒng)。沒有人可以使用一個隨機丟失數(shù)據(jù)和文件的操作系統(tǒng)（不知道是否有，雖然我曾經(jīng)被擁有的律師比Linux開發(fā)者還多的操作系統(tǒng)傷害過）。

　

Minix是Linux的第一個文件系統(tǒng)，有相當?shù)木窒蓿阅鼙容^差。它的文件名不能長于14個字符（這仍然比8.3文件名要好），最大的文集大小是64M字節(jié)。第一眼看去，64M字節(jié)似乎足夠大，但是設置中等的數(shù)據(jù)庫需要更大的文件大小。第一個專為Linux設計的文件系統(tǒng)，擴展文件系統(tǒng)或EXT（Extend File System），在1992年4月引入，解決了許多問題，但是仍然感到性能低。所以，1993年，增加了擴展文件系統(tǒng)第二版，或EXT2。這種文件系統(tǒng)在本章稍后具體描述。

　

當EXT文件系統(tǒng)增加到Linux的時候進行了一個重要的開發(fā)。真實的文件系統(tǒng)通過一個接口層從操作系統(tǒng)和系統(tǒng)服務中分離出來，這個接口叫做虛擬文件系統(tǒng)或VFS。VFS答應Linux支持許多（通常是不同的）文件系統(tǒng)，每一個都向VFS表現(xiàn)一個通用的軟件接口。Linux文件系統(tǒng)的所有細節(jié)都通過軟件進行轉換，所以所有的文件系統(tǒng)對于Linux核心的其余部分和系統(tǒng)中運行的程序顯得一樣。Linux的虛擬文件系統(tǒng)層答應你同時透明地安裝許多不同的文件系統(tǒng)。



Linux虛擬文件系統(tǒng)的實現(xiàn)使得對于它的文件的訪問盡可能的快速和有效。它也必須保證文件和文件數(shù)據(jù)正確地存放。這兩個要求相互可能不平等。Linux VFS在安裝和使用每一個文件系統(tǒng)的時候都在內(nèi)存中高速緩存信息。在文件和目錄創(chuàng)建、寫和刪除的時候這些高速緩存的數(shù)據(jù)被改動，必須非常小心才能正確地更新文件系統(tǒng)。假如你能看到運行的核心中的文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構，你就能夠看到文件系統(tǒng)讀寫數(shù)據(jù)塊，描述正在訪問的文件和目錄的數(shù)據(jù)結構會被創(chuàng)建和破壞，同時設備驅動程序會不停地運轉，獲取和保存數(shù)據(jù)。這些高速緩存中最重要的是Buffer Cache，在文件系統(tǒng)訪問它們底層的塊設備的時候結合進來。當塊被訪問的時候它們被放到Buffer Cache，根據(jù)它們的狀態(tài)放在不同的隊列中。Buffer Cache不僅緩存數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，它也幫助治理塊設備驅動程序的異步接口。


　

9.1 The Second Extended File System (EXT2)

　

EXT2被發(fā)明（Remy Card）作為Linux一個可擴展和強大的文件系統(tǒng)。它至少在Linux社區(qū)中是最成功的文件系統(tǒng)，是所有當前的Linux發(fā)布版的基礎。EXT2文件系統(tǒng)，象所有多數(shù)文件系統(tǒng)一樣，建立在文件的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)塊中的前提下。這些數(shù)據(jù)塊都是相同長度，雖然不同的EXT2文件系統(tǒng)的塊長度可以不同，但是對于一個特定的EXT2文件系統(tǒng)，它的塊長度在創(chuàng)建的時候就確定了（使用mke2fs）。每一個文件的長度都按照塊取整。假如塊大小是1024字節(jié)，一個1025字節(jié)的文件會占用兩個1024字節(jié)的塊。不幸的是這一意味著平均你每一個文件浪費半個塊。通常計算中你會用磁盤利用來交換CPU對于內(nèi)存的使用，這種情況下，Linux象大多數(shù)操作系統(tǒng)一樣，為了較少CPU的負載，使用相對低效率的磁盤利用率來交換。不是文件系統(tǒng)中所有的塊都包含數(shù)據(jù)，一些塊必須用于放置描述文件系統(tǒng)結構的信息。EXT2用一個inode數(shù)據(jù)結構描述系統(tǒng)中的每一個文件，定義了系統(tǒng)的拓撲結構。一個inode描述了一個文件中的數(shù)據(jù)占用了哪些塊以及文件的訪問權限、文件的修改時間和文件的類型。EXT2文件系統(tǒng)中的每一個文件都用一個inode描述，而每一個inode都用一個獨一無二的數(shù)字標識。文件系統(tǒng)的inode都放在一起，在inode表中。EXT2的目錄是簡單的非凡文件（它們也使用inode描述），包括它們目錄條目的inode的指針。

　

圖9.1顯示了一個EXT2文件系統(tǒng)占用了一個塊結構的設備上一系列的塊。只要提到文件系統(tǒng)，塊設備都可以看作一系列能夠讀寫的塊。文件系統(tǒng)不需要關心自身要放在物理介質(zhì)的哪一個塊上，這是設備驅動程序的工作。當一個文件系統(tǒng)需要從包括它的塊設備上讀取信息或數(shù)據(jù)的時候，它請求對它支撐的設備驅動程序讀取整數(shù)數(shù)目的塊。EXT2文件系統(tǒng)把它占用的邏輯分區(qū)劃分成塊組（Block Group）。每一個組除了當作信息和數(shù)據(jù)塊來存放真實的文件和目錄之外，還復制對于文件系統(tǒng)一致性至關重要的信息。這種復制的信息對于發(fā)生災難，文件系統(tǒng)需要恢復的時候是必要的。下面對于每一個塊組的內(nèi)容進行了具體的描述。

　

9.1.1 The EXT2 Inode（EXT2 I節(jié)點）

　



在EXT2文件系統(tǒng)中，I節(jié)點是建設的基石：文件系統(tǒng)中的每一個文件和目錄都用一個且只用一個inode描述。每一個塊組的EXT2的inode都放在inode表中，還有一個位圖，讓系統(tǒng)跟蹤分配和未分配的I節(jié)點。圖9.2顯示了一個EXT2 inode的格式，在其他信息中，它包括一些域：

參見include/linux/ext2_fs_i.h

　

mode 包括兩組信息：這個inode描述了什么和用戶對于它的權限。對于EXT2，一個inode可以描述一個文件、目錄、符號鏈接、塊設備、字符設備或FIFO。

Owner Information 這個文件或目錄的數(shù)據(jù)的用戶和組標識符。這答應文件系統(tǒng)正確地進行文件訪問權限控制

Size 文件的大小（字節(jié)）

Timestamps 這個inode創(chuàng)建的時間和它上次被修改的時間。

Datablocks 指向這個inode描述的數(shù)據(jù)的塊的指針。最初的12個是指向這個inode描述的數(shù)據(jù)的物理塊，最后的3個指針包括更多級的間接的數(shù)據(jù)塊。例如，兩級的間接塊指針指向一個指向數(shù)據(jù)塊的塊指針的塊指針。的這意味著小于或等于12數(shù)據(jù)塊大小的文件比更大的文件的訪問更快。

　

你應該注重EXT2 inode可以描述非凡設備文件。這些不是真正的文件，程序可以用于訪問設備。/dev下所有的設備文件都是為了答應程序訪問Linux的設備。例如mount程序用它希望安裝的設備文件作為參數(shù)。

　

9.1.2 The EXT2 Superblock（EXT2超級塊）

　

超級塊包括這個文件系統(tǒng)基本大小和外形的描述。它里面的信息答應文件系統(tǒng)治理程序用于維護文件系統(tǒng)。通常文件系統(tǒng)安裝時只有塊組0中的超級塊被讀取，但是每一個塊組中都包含一個復制的拷貝，用于系統(tǒng)崩潰的時候。除了其他一些信息，它包括：

參見include/linux/ext2_fs_sb.h

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