首页 > 代码库 > Linux运维实战之文件系统、链接文件
Linux运维实战之文件系统、链接文件
计算机操作系统作为最重要的系统软件，被用户直接使用的部分就是它的文件管理。因为用户使用计算机遇到的首要问题是如何保存程序和数据，然后如何查找、复制、删改它们。文件管理就是为用户的这些问题而设置的。
本次博文的主要内容：
1、文件系统基础（文件的概念、分类及存储机制）
2、从文件系统管理机制角度理解文件的复制、移动和删除
3、ext文件系统的扩展属性
4、硬链接和软链接
一、文件系统基础：
1、什么是文件系统：
操作系统中负责管理和存取文件信息的软件机构叫做文件系统。文件系统的目标是向用户提供简便、统一的使用文件的界面，实现文件按名存取。用户使用界面中的命令，按照文件的逻辑结构，直观、透明地对文件实施操作（所谓透明，是指用户不必了解文件存放的物理结构、查找方法、I/O实现细节等与存储介质有关的特性，就能完成对文件的有关操作）
2、文件系统的分类：
操作系统的文件系统按组成单位分为两类：
（1）流式文件：构成流式文件的基本单位是字符，即流式文件是具有符号名且在逻辑意义上完整的有穷字符流序列。如Linux、UNIX、OS/2、windows等都采用流式文件形式。
（2）记录式文件：构成记录式文件的基本单位是记录，所谓记录，是一段有独立意义的信息集合。如学生成绩文件，是由全部学生的成绩记录组成的，每个记录包括学生的姓名、学号、各科成绩等多个字段。
3、Linux系统中的文件类型：
Linux系统中，文件被分为3类：
（1）目录文件：全部由目录组成的文件
（2）普通文件：由系统文件、用户文件、实用程序文件、库文件组成
（3）特别文件：所有的输入/输出设备被看作特别文件，系统指定专用的文件名，如：/dev/lp表示打印机设备。
4、虚拟文件系统：VFS（Virtual File System）
在前面的博文中已经提到，Linux系统支持众多文件系统，那它是如何做到的呢？
【答】通过虚拟文件系统VFS，使得Linux系统可以支持众多文件系统，这种机制有点类似java的虚拟机机制哈，通过虚拟机机制才使得java能够跨平台！
5、Linux系统ext文件系统的管理机制：
【Linux中文件系统存取文件的过程说明】
（1）根据文件名，通过Directory里的对应关系，找到文件对应的Inode number
（2）再根据Inode number读取到文件的Inode table
（3）再根据Inode table中的Pointer读取到相应的Blocks
Tips：
A、这里有一个重要的内容，就是Directory（目录），它并不是存放文件的容器，而是文件的路径映射，记录了一个文件/目录名称对应的Inode number；
B、每个Inode条目占用128个字节；
C、为了加速文件的查找速度，第一次需要查找，之后系统会把查找结果缓存到buffer中；事实上，系统启动时会把大多数文件缓存到buffer中（这就是buffer的意义）
【文件存储空间管理】
光盘、磁盘、磁带等是保存文件内容的物理设备，它们被划分成物理块（block），全部的物理块组成文件的存储空间。文件存储空间的管理就是块空间的管理，包括空闲块的分配、回收和组织几个问题。
常见的文件存储空间管理方法有：空闲块表和空闲块链、位图、空闲块成组链接法。Linux综合位图和空闲块成组链接法来实现文件存储空间的管理（如图所示）：
每个块组所包含的Block数相同，它们是自我管理的，其组成说明如下：
（1）Super Block（超级块）-->只有块组0中有超级块
- 描述整个分区的文件系统信息，例如块大小、文件系统版本号、上次mount的时间等等。
- 超级块在块组1、3、5、7、9上有一个备份；
【文件系统相关命令】
- 用tune2fs –l 和 dumpe2fs [-h] 可查看超级块信息
- du：disk usage
-s: summary，显示某指定路径下所有文件的大小之和；
-h：human-readale
- df: disk free
-l: 只显示本地文件系统的相关信息
-h: human-readable
-P: posix兼容的风格显示；
-i: 显示inode使用信息，而非1k块
#----tune2fs -l 命令查看超级块信息-----# [root@Centos ~]# tune2fs -l /dev/sda1 tune2fs 1.41.12 (17-May-2010) Filesystem volume name: <none> Last mounted on: /boot Filesystem UUID: 0a800a5e-6e0b-48f6-b935-1296b7438b64 Filesystem magic number: 0xEF53 Filesystem revision #: 1 (dynamic) Filesystem features: has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize Filesystem flags: signed_directory_hash Default mount options: user_xattr acl Filesystem state: clean Errors behavior: Continue Filesystem OS type: Linux Inode count: 51200 #inode数目 Block count: 204800 #块数目 Reserved block count: 10240 Free blocks: 149802 #空闲块数 Free inodes: 51160 #空闲inode First block: 1 Block size: 1024 #块大小 Fragment size: 1024 Reserved GDT blocks: 256 Blocks per group: 8192 #每个块组的块数 Fragments per group: 8192 Inodes per group: 2048 Inode blocks per group: 256 Flex block group size: 16 Filesystem created: Wed Jan 29 05:20:48 2014 Last mount time: Mon Sep 22 21:01:04 2014 Last write time: Mon Sep 22 21:01:04 2014 Mount count: 19 Maximum mount count: -1 Last checked: Wed Jan 29 05:20:48 2014 Check interval: 0 (<none>) Lifetime writes: 162 MB Reserved blocks uid: 0 (user root) Reserved blocks gid: 0 (group root) First inode: 11 Inode size: 128 #inode大小 Journal inode: 8 Default directory hash: half_md4 Directory Hash Seed: 30a7a5f3-de5b-4d07-b512-ddb52100b427 Journal backup: inode blocks
#----dumpe2fs命令查看超级块信息----# [root@Centos ~]# dumpe2fs /dev/sda1 dumpe2fs 1.41.12 (17-May-2010) Filesystem volume name: <none> Last mounted on: /boot Filesystem UUID: 0a800a5e-6e0b-48f6-b935-1296b7438b64 Filesystem magic number: 0xEF53 Filesystem revision #: 1 (dynamic) Filesystem features: has_journal ext_attr resize_inode dir_index filetype needs_recovery extent flex_bg sparse_super huge_file uninit_bg dir_nlink extra_isize Filesystem flags: signed_directory_hash Default mount options: user_xattr acl Filesystem state: clean Errors behavior: Continue Filesystem OS type: Linux Inode count: 51200 Block count: 204800 Reserved block count: 10240 Free blocks: 149802 Free inodes: 51160 First block: 1 Block size: 1024 Fragment size: 1024 Reserved GDT blocks: 256 Blocks per group: 8192 Fragments per group: 8192 Inodes per group: 2048 Inode blocks per group: 256 Flex block group size: 16 Filesystem created: Wed Jan 29 05:20:48 2014 Last mount time: Mon Sep 22 21:01:04 2014 Last write time: Mon Sep 22 21:01:04 2014 Mount count: 19 Maximum mount count: -1 Last checked: Wed Jan 29 05:20:48 2014 Check interval: 0 (<none>) Lifetime writes: 162 MB Reserved blocks uid: 0 (user root) Reserved blocks gid: 0 (group root) First inode: 11 Inode size: 128 Journal inode: 8 Default directory hash: half_md4 Directory Hash Seed: 30a7a5f3-de5b-4d07-b512-ddb52100b427 Journal backup: inode blocks Journal features: journal_incompat_revoke Journal size: 4096k Journal length: 4096 Journal sequence: 0x000000a8 Journal start: 0 Group 0: (Blocks 1-8192) [ITABLE_ZEROED] #块组0的信息 Checksum 0xf7f8, unused inodes 2006 Primary superblock at 1, Group descriptors at 2-2 #超级块信息 Reserved GDT blocks at 3-258 Block bitmap at 259 (+258), Inode bitmap at 275 (+274) Inode table at 291-546 (+290) 3784 free blocks, 2008 free inodes, 6 directories, 2006 unused inodes Free blocks: 4409-8192 Free inodes: 40, 42-2048 Group 1: (Blocks 8193-16384) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0x132c, unused inodes 2048 Backup superblock at 8193, Group descriptors at 8194-8194 #超级块的备份 Reserved GDT blocks at 8195-8450 Block bitmap at 260 (+4294959363), Inode bitmap at 276 (+4294959379) Inode table at 547-802 (+4294959650) 844 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes Free blocks: 11336, 11452-12288, 16379-16384 Free inodes: 2049-4096 Group 2: (Blocks 16385-24576) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0x6de3, unused inodes 2048 Block bitmap at 261 (+4294951172), Inode bitmap at 277 (+4294951188) Inode table at 803-1058 (+4294951714) 0 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes Free blocks: Free inodes: 4097-6144 Group 3: (Blocks 24577-32768) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0xbade, unused inodes 2048 Backup superblock at 24577, Group descriptors at 24578-24578 #超级块的备份 Reserved GDT blocks at 24579-24834 Block bitmap at 262 (+4294942981), Inode bitmap at 278 (+4294942997) Inode table at 1059-1314 (+4294943778) 1789 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes Free blocks: 24835-25101, 25103-26624 Free inodes: 6145-8192 Group 4: (Blocks 32769-40960) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0x3c6a, unused inodes 2048 Block bitmap at 263 (+4294934790), Inode bitmap at 279 (+4294934806) Inode table at 1315-1570 (+4294935842) 610 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes Free blocks: 38303-38912 Free inodes: 8193-10240 Group 5: (Blocks 40961-49152) [INODE_UNINIT, ITABLE_ZEROED] Checksum 0xadda, unused inodes 2048 Backup superblock at 40961, Group descriptors at 40962-40962 Reserved GDT blocks at 40963-41218 Block bitmap at 264 (+4294926599), Inode bitmap at 280 (+4294926615) Inode table at 1571-1826 (+4294927906) 1790 free blocks, 2048 free inodes, 0 directories, 2048 unused inodes Free blocks: 41219-43008 Free inodes: 10241-12288
（2）GDT：Group Descriptor Table（块组描述符表）
- 由很多块组描述符组成，整个分区分成多少个块组就对应有多少个块组描述符
- 每个块组描述符（Group Descriptor）存储一个块组的描述信息，例如在这个块组中从哪里开始是inode表，从哪里开始是数据块，空闲的inode和数据块还有多少个等等
- 和超级块类似，块组描述符表在每个块组的开头也都有一份拷贝，这些信息是非常重要的，一旦超级块意外损坏就会丢失整个分区的数据，一旦块组描述符意外损坏就会丢失整个块组的数据，因此它们都有多份拷贝
（3）bit map：位图
分为快位图（Block Bitmap）和结点位图（Inode Bitmap），机制如下：
【Block Bitmap】：当申请空闲块时，从位图上找出bit=0的字位，将其改为1，返回对应的块号；归还空闲块时，在位图上把该块所对应的字位改为0即可（如下图所示）。
【Inode Bitmap】：和块位图类似，本身占一个块，其中每个bit表示一个inode是否空闲可用。
（4）Inode Table：Inode表：
- 一个文件除了数据需要存储之外，一些描述信息也需要存储，例如文件类型（常规、目录、符号链接等），权限，文件大小，创建/修改/访问时间等，也就是"ls -l”命令看到的那些信息，这些信息存在inode中而不是数据块中。
- 每个文件都有一个inode，一个块组中的所有inode组成了inode表
- inode表占多少个块在格式化时就要决定并写入块组描述符中
- mke2fs格式化工具的默认策略是一个块组有多少个8KB就分配多少个inode
（5）Data Blocks：数据块
- 对于常规文件，文件的数据存储在数据块中
- 对于目录，该目录下的所有文件名和目录名存储在数据块中，文件名保存在它所在目录的数据块中
- 除文件名之外，ls -l命令看到的其它信息都保存在该文件的inode中
- 目录也是一种文件，是一种特殊类型的文件
- 对于符号链接，如果目标路径名较短则直接保存在inode中以便更快地查找，如果目标路径名较长则分配一个数据块来保存
- 设备文件、FIFO和socket等特殊文件没有数据块，设备文件的主设备号和次设备号保存在inode中
6、ext文件系统中的目录：
从上面的Inode-table中可以看到，该表中存储的数据是文件的元数据（即描述文件属性的数据，例如文件类型、文件的时间戳、与文件权限相关的描述信息等），但并没有文件名，那文件名存储在什么地方呢？
文件名是保存在目录中的哈！下面重点说说目录。
文件系统要管理众多的文件，首要的问题是要把文件有条不紊地组织起来。每个文件都有目录项，目录是文件路径的映射（注意：目录并不是文件的容器），全部目录项组成目录文件，如下图所示：
可以看出，Linux系统的文件管理机构将文件属性从目录项分离出来了哈！分离出来的好处有两点：
（1）为文件的共享提供了方便：
若文件名不与文件属性信息分离，则指向同一个文件的多个目录项均应包含同一个文件的属性信息，也就是说，多个目录项中存有同一个文件属性信息的多个副本。这样显然造成存储空间的浪费哈！若文件属性分离，则指向同一个文件的多个目录项中只保存相同的Inode号，而文件属性信息只有一份，因此节省了存储空间。共享文件越多节省空间就越明显。增加共享链接或撤销共享链接也相当便利（后面我们会说到Linux系统中文件链接的知识哈）。
（2）减少文件“按名查找”引起的I/O传输：
假设外设为磁盘，每个磁盘块512字节。对Linux来说，若目录项含有文件属性，目录项占78个字节。若目录项不含有文件属性，目录项占16个字节。设某目录文件共有128个目录项，则前者共有约20个盘块，后者仅需4个盘块。由于每次启动I/O只传输一个盘块，所以后者查找一个目录项启动该盘的次数大大减少。
7、Linux系统树型目录组织结构：
再来考虑一个问题：Linux系统为什么要把目录组织成树状结构呢？
层次化结构能够大大减小查找的复杂度-->如果系统内文件很多，则目录文件会变得很长，要查找某个文件将耗费太多的时间（例如：我们要查找一个文件，但不知道它存储在什么地方，此时我们就需要从“/”下开始查找，那肯定是非常耗时间哈。若此时我们知道这个文件保存在"/var/log/” 下，那查找起来肯定快的多哈！）。树是一种层次化的数据结构，它由根结点，子结点以及子子结点组成。Linux借用树状结构来组织它的文件目录，形成树型目录组织。树型目录组织是多级目录组织的一种形式。Linux文件系统的目录组织结构如下图所示：
8、目录树上的搜索与操作：
（1）从目录的树根开始，经过各级子目录，最终到达数据文件名，才能对数据文件进行访问
（2）由根、各级目录名、数据文件名连接起来的字符串成为“绝对路径名”
（3）若用户当前正在某目录上进行操作，那么称其为“当前目录”
（4）给定路径名，从目录树上找到文件的Inode号的过程称为“文件名搜索”
Tips：为了加速文件查找，Linux通常采用缓存的机制（第一次查找文件时需要按顺序查找，之后就把结果缓存到buffer中）。
二、Linux系统文件管理相关操作：
1、删除文件：
（1）将要删除的文件的Inode归类为空闲Inode
（2）将对应的磁盘块归为空闲块（不会对磁盘块做任何操作）
（3）完全删除文件（360文件粉碎机的原理）：将要删除的文件所对应的磁盘块用0填充
结论：从上面可知：删除文件的速度会非常快。
2、复制文件：文件复制的过程是创建一个与原文件一模一样（Inode、磁盘块均相同）的文件
3、移动文件：
不同分区之间的文件移动：创建新文件（创建全新的Inode和磁盘块），删除老文件（把文件的Inode清空归类为空闲Inode，把对应的磁盘块归类为空闲块）
同一个分区里的文件移动： 创建一个新的Inode指向源文件的磁盘块；将源文件的Inode清空归类为空闲Inode。
三、ext文件系统的扩展属性：
lsattr：列出文件的扩展属性
chattr：（+/-/=）赋予相关扩展属性
-i：真正只读
-a：仅允许追加内容
-c：自动压缩（类似于NTFS的压缩功能）
四、链接文件：
1、硬链接：指向同一个Inode的两个路径
【语法】
如何创建硬链接文件： ln SRC_FILE LINK_FILE
ls –l 命令的第二段显示出的数字指文件被硬链接的次数，举例如下：
【特性】
- 不能跨分区使用；
- 不能对目录创建硬链接（否则会产生循环引用）；
例如目录A-->B，B-->C,C-->A，因此出现死循环。
- 删除原文件路径，不影响链接文件的使用；
- 所有文件指向同一个inode，因此，为它们是同一个文件；
【举例】
#----举例说明硬链接的特性----# [root@Centos ~]# mkdir -pv LinkFileTest #创建一个实验用目录 mkdir: created directory `LinkFileTest‘ [root@Centos ~]# cd LinkFileTest/ [root@Centos LinkFileTest]# cp /etc/fstab . #复制fstab文件到实验目录 [root@Centos LinkFileTest]# ln fstab fstab_bak #为fstab文件创建硬链接 [root@Centos LinkFileTest]# ls -l total 8 -rw-r--r--. 2 root root 924 Oct 8 20:45 fstab -rw-r--r--. 2 root root 924 Oct 8 20:45 fstab_bak #可以看到两个文件的大小及其它相关属性都是一样的 [root@Centos LinkFileTest]# ls -i #该命令可以查看文件的Inode号 396473 fstab 396473 fstab_bak #可以看出原文件与其硬链接文件的Inode号完全一样 #尝试为目录创建硬链接： [root@Centos LinkFileTest]# ln /tmp/ /hello ln: `/tmp/‘: hard link not allowed for directory #出错了哈：不允许为目录创建硬链接
2、软链接：（符号链接,symbolic link）
ls -l: 显示文件类型为l的文件
【语法】
如何创建软链接文件： ln –s SRC_FILE LINK_FILE
【特性】
- 不受分区限制；
- 能够对目录创建；
- 删除原文件，链接文件将无法使用；
- 链接文件与原文件指向不同的inode，所以，并非同一个文件；
- 软链接文件的大小为其所指向的文件的文件名称的字符数（只有Inode，没有具体的磁盘块）
- 使用符号链接，查找文件的操作可能为两次
- 软链接的文件类型取决于其所链接的文件
Tips：软连接类似于windows系统的快捷方式
【举例】
#----举例说明软链接的特性----# #能够对目录创建软链接 [root@Centos LinkFileTest]# ls -l total 4 -rw-r--r--. 1 root root 924 Oct 8 21:06 fstab lrwxrwxrwx. 1 root root 5 Oct 8 21:23 temp -> /tmp/ #链接文件与原文件指向不同的Inode [root@Centos LinkFileTest]# ls -i fstab fstab_link 396473 fstab 396478 fstab_link #软连接文件的大小为其所指向的文件的文件名称的字符个数 [root@Centos LinkFileTest]# ls -l total 4 -rw-r--r--. 1 root root 924 Oct 8 21:28 fstab lrwxrwxrwx. 1 root root 5 Oct 8 21:25 fstab_link -> fstab # fstab：正好5个字符哈 lrwxrwxrwx. 1 root root 5 Oct 8 21:23 temp -> /tmp/ #软连接的文件类型取决于原文件的类型 [root@Centos LinkFileTest]# ls -l total 4 -rw-r--r--. 1 root root 924 Oct 8 21:28 fstab lrwxrwxrwx. 1 root root 5 Oct 8 21:25 fstab_link -> fstab # fstab_link是普通文件 lrwxrwxrwx. 1 root root 5 Oct 8 21:23 temp -> /tmp/ #tmp是目录，可以cd进去 [root@Centos LinkFileTest]# cd temp/ [root@Centos temp]# ls ssh-WnVOof5715 vmware-tools-distrib [root@Centos temp]# ls /tmp/ ssh-WnVOof5715 vmware-tools-distrib #可以看到/tmp/与temp的内容相同
本次博客的内容就这么多哈，欢迎各位大大审阅、指正！~~
本文出自 “技术日志” 博客，请务必保留此出处http://sweetpotato.blog.51cto.com/533893/1569524
Linux运维实战之文件系统、链接文件