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目录

1. 整体学习思维导图

2. 认识理解磁盘

存储原理

物理结构

逻辑结构

CHS && LAB 定址

3. 文件系统

3.1 块的概念

3.2 分区的概念

3.3 inode概念

4. Ext2文件系统

5. Linux下的目录

5.1 挂载分区

6. 软硬链接

6.1 概念/应用

探究硬链接：

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1. 整体学习思维导图

 

2. 认识理解磁盘

了解文件系统离不开存储文件的硬件--磁盘，我们需要认识一下磁盘的构造！

 

磁盘如图所示，我们可以看见许多部件：磁头，盘片，机械臂杆，主轴等等，并且一个磁盘由多个盘片构成，一张盘片的正反面都可以存储信息，正反也存在着两个读写的磁头。

存储原理

首先需要定位到需要读取的柱面，然后确定对应的磁头，此时的盘片正在高速转动，磁头定位到我们需要读取的扇区，我们知道盘片由一个个小的磁性分子组成，磁性存在着两级正好对应计算机中的0和1，写入文件时我们只需要改变其磁性即可实现，读取文件时我们收集其磁性的排列进行解读即可得到信息。

• CHS定址

指的就是我们前面定位的过程：先确定柱面(cylinder)，次之磁头(head)，最后是扇区(sector)！

物理结构

我们从硬件物理的角度来看，磁盘由一个个盘片构成，物理结构是一种圆形的，那么磁盘在我们计算机是以什么样的存储方式描述的呢？答案是线性的结构，类似于数组一样的，那么圆形怎么到线性的结构？我们知道盘片就像一圈圈的磁道"卷"起来的,我们将他舒展开来不就是一个线性的结构吗？

 

逻辑结构

对于一个盘片来说磁道展开是一个一维数组，我们的磁盘由多个盘片组成，多个盘片构成的就是柱面，这个柱面的构造展示给我们的就是一个多维数组的样子：

• 多个柱面

但是在我们所学的c/c++底层中的多维数组最后还是一个线性的一维数组，我们将柱面拼接起来，磁盘拼接起来，我们就会得到一个线性的数组结构！ 

CHS && LAB 定址

OS文件系统访问磁盘，不以扇区为单位，而是以"块"为单位，一般单次访问是4KB(连续的8个扇区)，这个访问的大小可以调整。对于物理磁盘来说是CHS寻址，但是对于OS来说就需要换一种形式的寻址->LAB！

• LAB和CHS的相互转换

  • LAB = 柱面号 * 磁头数 * 每个磁道的扇区个数 + 磁头号 * 每个磁道的扇区个数 + 扇区个数 - 1（-1是因为LAB地址从0开始，扇区号基本从1开始）

  • CHS = LAB % ( 磁头数 * 每个磁道的扇区个数) + LAB % (磁头号 * 每个磁道的扇区个数) + LAB % (每个磁道的扇区个数) + 1

有了这个转换关系，我们OS就可以使用一串数字去访问对应的磁盘位置了！

3. 文件系统

3.1 块的概念

我们前面提到过"块"，单次访问扇区的速率太低，我们OS一次访问8个扇区，我们将其命名为一个块,块的大小常见的是4KB,"块"是文件存储的最小单位

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ ~]$ stat Linux_Git/File: ‘Linux_Git/’Size: 4096              Blocks: 8          IO Block: 4096   directory
Device: fd01h/64769d        Inode: 1315336     Links: 3
Access: (0775/drwxrwxr-x)  Uid: ( 1001/  ouyang)   Gid: ( 1001/  ouyang)
Access: 2025-02-27 10:18:08.496640943 +0800
Modify: 2025-02-27 10:18:06.488552668 +0800
Change: 2025-02-27 10:18:06.488552668 +0800Birth: -

块号 = LAB / 8

3.2 分区的概念

我们知道现在计算机的存在着好几个盘：C/D/E等等，其实底层他们是一块总的内存是通过分区来实现多个盘的，比如一个800G的存储，我们可能会以300G为单位分区为3个区，每个区含有大量的快组成：

一个分区又可以分为多个组，每个组这边以30G来划分： 

 

3.3 inode概念

我们之前了解过一个文件 = 内容 + 属性组成的，在Linux中文件的内容和属性是分开存储的，每个文件的属性被存储在一个结构体中struct inode之中。

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ ~]$ ls -l
total 28
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Dec 15 11:00 dir_2024_12_11
drwxrwxr-x 4 ouyang ouyang 4096 Dec 16 08:40 dir_2024_12_15
drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Dec  8 10:40 dir_2024_12_3
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Dec 11 16:04 dir_2024_12_8
drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Jan 25 11:44 dir_2025
drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Feb 27 10:18 Linux_Git
-rw-rw-r-- 1 ouyang ouyang  827 Oct 23 15:00 vimrc-install.sh

struct inode
{int type;int size;....int inode_number; // inode号
};

这个结构体的大小是固定的128字节，一个数据块4KB可以存储32个inode,并且每一个文件都有一个inode，并且inode内部有一个标识符叫做inode号。 

 

• 文件名属性并未纳入到inode数据结构内部

• inode的大小⼀般是128字节或者256，我们后面统⼀128字节

• 任何文件的内容大小可以不同，但是属性大小⼀定是相同的

4. Ext2文件系统

 

每个分区会被划分为多个Block Group(块组),进一步划分是为了更加方便管理。

• Data Blocks

这一块区域主要用于存储文件的内容部分

• Inode Table

这块区域主要用于存储文件的属性部分，使用结构体存储

• Block/Inode Bitmap

位图部分，主要是用于表示Data Blocks/Inode Table某个块是否被占用，更加快速找到未占用的块进行访问

• GDT

块组描述符，描述块组的属性信息，整个分区被划分为多少块组就存在多少GDT，GDT用于存储一个块组的描述信息，比如从哪到哪是Data Blocks/Inode Table/（Block/Inode Bitmap），还存在多少空闲的inode和数据块等等。

• Super Block

是描述整个文件操作系统的描述符，和GDT的作用相似。记录的信息主要有：bolck和inode的总量，未使用的block和inode的数量，⼀个block和inode的大小，最近⼀次挂载的时间，最近⼀次写入数据的时间，最近⼀次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。SuperBlock的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。

注意：

• 每个分区内部，inode编号和块号都是唯一的，所以我们只需要拿到inode_number就可以知道文件在哪个分组之中。

• 格式化的本质：我们平时可能有过这种感觉：下载一个软件很慢，删除一个软件很快。这是为什么呢？我们下载一个软件是需要实打实的写入到Data Blocks,但是我们删除一个软件只需要将其对应的位图位置改为未占用，后来的数据直接覆盖写入即可！

5. Linux下的目录

首先我们知道以下几点：

• inode中并没有保存文件名，那么文件名保存在哪？

  • 文件名保存在当前文件所在的目录文件之中，那么目录文件名呢？保存在根目录文件之中，根目录文件名由OS管理加载。

• 我们平时使用Linux系统寻找文件，都是路径+文件名，并没有使用inode号寻找，为什么可以找到？

  • 存在一个映射的哈希表管理者文件名和inode号的映射关系。

由以上两点我们得到一个信息：我们访问任何文件都需要其对应的路径进行查找，并且这个路径由/路径开始，对这个路径进行解析找到对应的文件内容块无疑是一次I/O操作，这会带来效率问题，因此OS在进行路径解析时候，会把我们历史访问的所有目录(路径)形成一棵多叉树进行保存，Linux系统的树状目录结构就是这么来的。

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ linux_-git_-warehouse]$ tree dir_2025_1_10
dir_2025_1_10
└── Test.cpp0 directories, 1 file

Linux中，在内核中维护树状路径结构的内核结构体叫做： struct dentry

5.1 挂载分区

我们已经能够根据inode号在指定分区找文件了，也已经能根据目录文件内容，找指定的inode了，在指定的分区内，我们可以为所欲为了。可是：

问题：inode不是不能跨分区吗？Linux不是可以有多个分区吗？我怎么知道我在哪⼀个分区？？？

• 磁盘->分区->格式化->我们不能使用该分区，需要有一个目录进行关联才可以使用！

• 分区写入文件系统，无法直接使用，需要和指定的目录关联，进行挂载才能使用。所以，可以根据访问目标文件的"路径前缀"准确判断我在哪⼀个分区。通过这样进入一个目录就相当于进入一个分区。

 

6. 软硬链接

6.1 概念/应用

• 软连接：

ln -s obj desc
ln -s code_soft /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/code.c(绝对路径)

软链接是一个独立的文件，他拥有独立的inode number,软连接相当于创建一个快捷方式 

• 硬链接：

ln  obj desc
ln  code_head /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/code.c(绝对路径)

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ linux_-git_-warehouse]$ ll
total 92
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Dec 24 10:21 dir_2024_12_23
drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Feb 22 21:52 dir_2024_12_24

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ dir_2025_3_2]$ sudo ln code_Hard /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/Test.c 
[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ dir_2025_3_2]$ ls -li
total 8
1315789 -rw-rw-r-- 2 ouyang ouyang    0 Mar  3 09:35 code_Hard
1315786 drwxrwxr-x 2 ouyang ouyang 4096 Mar  3 09:29 dir
1315788 -rw-rw-r-- 1 ouyang ouyang    0 Mar  3 09:31 Test
1315789 -rw-rw-r-- 2 ouyang ouyang    0 Mar  3 09:35 Test.c
1315783 drwxrwxr-x 3 ouyang ouyang 4096 Mar  3 09:27 Test_Dir

硬链接之后，不是一个独立的文件，文件的inode number相等，相当于一个引用，对应的引用计数会++，可以用作于备份，只有当连接数为0时，磁盘才会释放其文件的空间内容！

硬链接的新文件名也和原本的inode number进行了一次映射关系！

• 我们在删除文件时干了两件事情：1.在目录中将对应的记录删除，2.将硬连接数-1，如果为0，则将对应的磁盘释放。

• . / .. 表示当前目录和上级目录也是硬链接的一种使用！

探究硬链接：

• 硬链接只能给普通文件建立，不能给目录建立！

[ouyang@iZ2ze0j6dd76e0o9qypo2rZ dir_2025_3_2]$ ln Dir_link_hard /home/ouyang/Linux_Git/linux_-git_-warehouse/dir_2025_3_2/Test_Dir/
ln: ‘Dir_link_hard’: hard link not allowed for directory

• 问题：为啥. 和 .. 文件是对目录的硬链接？这不和上面构成矛盾吗?

  • Linux 允许给 . 和 ..建立硬链接，不允许用户自己对目录建立硬链接

  • 不允许用户建立链接是防止树结构查找出现路径循环问题！

 

• . 和 ..的名字是特殊处理的，就是为了防止路径循环问题，也是为了方便用户操作！

• 软连接不也是会带来路径循环问题吗，如果说硬链接的处理方式是特殊名字，软连接的处理方式是什么？

  

    软连接文件前带了一个l作为区分！