Linux文件系统基础知识

1、Linux文件系统分配策略：

块分配( block allocation ) 和 扩展分配 ( extent allocation )

块分配：磁盘上的文件块根据需要分配给文件，避免了存储空间的浪费。但当文件扩充时，会造成文件中文件块的不连续，从而导致过多的磁盘寻道时间。

每一次文件扩展时，块分配算法就需要写入文件块的结构信息，也就是 meta-dada 。meta-data总是与文件一起写入存储设备，改变文件的操作要等到所有meta-data的操作都完成后才能进行，

因此，meta-data的操作会明显降低整个文件系统的性能。

扩展分配： 文件创建时，一次性分配一连串连续的块，当文件扩展时，也一次分配很多块。meta-data在文件创建时写入，当文件大小没有超过所有已分配文件块大小时，就不用写入meta-data，直到需要再分配文件块的时候。

扩展分配采用成组分配块的方式，减少了SCSI设备写数据的时间，在读取顺序文件时具有良好的性能，但随机读取文件时，就和块分配类似了。

文件块的组或块簇 ( block cluster) 的大小是在编译时确定的。簇的大小对文件系统的性能有很大的影响。

注：meta-data 元信息：和文件有关的信息，比如权限、所有者以及创建、访问或更改时间等。

2、文件的记录形式

Linux文家系统使用索引节点(inode)来记录文件信息。索引节点是一种数据结构，它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。

一个文件系统维护了一个索引节点的数组，每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一的元素对应。每个索引节点在数组中的索引号，称为索引节点号。

Linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中，所以，目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表，目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。

对于一个文件来说，有一个索引节点号与之对应；而对于一个索引节点号，却可以对应多个文件名。

连接分为软连接和硬连接，其中软连接又叫符号连接。

硬连接： 原文件名和连接文件名都指向相同的物理地址。目录不能有硬连接；硬连接不能跨文件系统(不能跨越不同的分区)，文件在磁盘中只有一个拷贝。

由于删除文件要在同一个索引节点属于唯一的连接时才能成功，因此硬连接可以防止不必要的误删除。

软连接：用 ln -s 命令建立文件的符号连接。符号连接是linux特殊文件的一种，作为一个文件，它的数据是它所连接的文件的路径名。没有防止误删除的功能。

3、文件系统类型：

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

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

VFAT:Windows 95/98 操作系统采用的文件系统

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

HPFS:OS/2 操作系统采用的文件系统

PROC:虚拟的进程文件系统

ISO9660:大部分光盘所采用的文件系统

ufsSun:OS 所采用的文件系统

NCPFS:Novell 服务器所采用的文件系统

SMBFS:Samba 的共享文件系统

XFS:由SGI开发的先进的日志文件系统，支持超大容量文件

JFS:IBM的AIX使用的日志文件系统

ReiserFS:基于平衡树结构的文件系统

udf:可擦写的数据光盘文件系统

4、虚拟文件系统VFS

Linux支持的所有文件系统称为逻辑文件系统，而linux在传统的逻辑文件系统的基础上增加料一个蓄念文件系统( Vitual File System ,VFS) 的接口层。

虚拟文件系统(VFS) 位于文件系统的最上层，管理各种逻辑文件系统，并可以屏蔽各种逻辑文件系统之间的差异，提供统一文件和设备的访问接口。

5、文件的逻辑结构

文件的逻辑结构可分为两大类： 字节流式的无结构文件 和 记录式的有结构文件。

由字节流（字节序列）组成的文件是一种无结构文件或流式文件 ，不考虑文件内部的逻辑结构，只是简单地看作是一系列字节的序列，便于在文件的任意位置添加内容。

由记录组成的文件称为记录式文件 ，记录是这种文件类型的基本信息单位，记录式文件通用于信息管理。

6、文件类型

普通文件:通常是流式文件

目录文件:用于表示和管理系统中的全部文件

连接文件:用于不同目录下文件的共享

设备文件:包括块设备文件和字符设备文件，块设备文件表示磁盘文件、光盘等，字符设备文件按照字符操作终端、键盘等设备。

管道(FIFO)文件:提供进程建通信的一种方式

套接字(socket)文件:该文件类型与网络通信有关

7、文件结构:包括索引节点和数据

索引节点:又称 I 节点，在文件系统结构中，包含有关相应文件的信息的一个记录，这些信息包括文件权限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系统中所有文件的索引节点保存在索引节点表中。

数据:文件的实际内容。可以是空的，也可以非常大，并且拥有自己的结构。

8、ext2文件系统

ext2文件系统的数据块大小一般为 1024B、2048B 或 4096B

ext2文件系统采用的索引节点(inode)：

索引节点采用了多重索引结构，主要体现在直接指针和3个间接指针。直接指针包含12个直接指针块，它们直接指向包含文件数据的数据块，紧接在后面的3个间接指针是为了适应文件的大小变化而设计的。

e.g： 假设数据块大小为1024B ，利用12个直接指针，可以保存最大为12KB的文件，当文件超过12KB时，则要利用单级间接指针，该指针指向的数据块保存有一组数据块指针，这些指针依次指向包含有实际数据的数据块，

假如每个指针占用4B，则每个单级指针数据块可保存 1024/4＝256 个数据指针，因此利用直接指针和单级间接指针可保存 1024*12＋1024*256＝268 KB的文件。当文件超过268KB时，再利用二级间接指针，直到使用三级间接指针。

利用直接指针、单级间接指针、二级间接指针、三级间接指针可保存的最大文件大小为：

1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256＝16843020 KB，约 16GB

若数据块大小为2048B，指针占4B，则最大文件大小为： 2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512＝268,960,792 KB 约 268GB

若数据块大小为4096B，指针占4B，则最大文件大小为： 4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024＝4,299,165,744 KB ，约 4TB

注： 命令 tune2fs -l /dev/sda5 可查看文件系统

ext2文件系统最大文件名长度： 255个字符

ext2文件系统的缺点：

ext2在写入文件内容的同时并没有同时写入文件meta-data， 其工作顺序是先写入文件的内容，然后等空闲时候才写入文件的meta-data。若发生意外，则文件系统就会处于不一致状态。

在重新启动系统的时候，linux会启动 fsk ( file system check) 的程序，扫描整个文件系统并试图修复，但不提供保证。

9、ext3文件系统：

ext3基于ext2的代码，所以磁盘格式与ext2相同，使用相同的元数据。

ext2文件系统无损转化为ext3文件系统： tune2fs -j /dev/sda6

日志块设备( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系统日志功能。JBD不是ext3文件系统所特有的，它的设计目标是为了向一个块设备添加日志功能。

当一个文件修改执行时，ext3文件系统代码将通知JBD，称为一个事务(transaction)。发生意外时，日志功能具有的重放功能，能重新执行中断的事务。

日志中的3种数据模式：

1)、data=writeback:不处理任何形式的日志数据，给用户整体上的最高性能

2)、data=odered:只记录元数据日志，但将元数据和数据组成一个单元称为事务(transaction) 。此模式保持所句句的可靠性与文件系统的一致性，性能远低于data=writeback模式，但比data=journal模式快

3)、data=journal:提供完整的数据及元数据日志，所有新数据首先被写入日志，然后才被定位。意外发生过后，日志可以被重放，将数据与元数据带回一致状态。这种模式整体性能最慢，但数据需要从磁盘读取和写入磁盘时却是3种模式中最快的。

ext3文件系统最大文件名长度： 255个字符

ext3文件系统的优点：可用性、数据完整性、速度、兼容性

10、ReiserFS文件系统

ReiserFS文件系统是由Hans Reiser和他领导的开发小组共同开发的，整个文件系统完全是从头设计的，是一个非常优秀的文件系统。也是最早用于Linux的日志文件系统之一。

ReiserFS的特点

先进的日志机制

ReiserFS有先进的日志(Journaling/logging)功能 机制。日志机制保证了在每个实际数据修改之前，相应的日志已经写入硬盘。文件与数据的安全性有了很大提高。

高效的磁盘空间利用

Reiserfs对一些小文件不分配inode。而是将这些文件打包，存放在同一个磁盘分块中。而其它文件系统则为每个小文件分别放置到一个磁盘分块中。

独特的搜寻方式

ReiserFS基于快速平衡树(balanced tree)搜索，平衡树在性能上非常卓越，这是一种非常高效的算法。ReiserFS搜索大量文件时，搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件系统使用B*Tree存储文件，而其它文件系统使用B+Tree树。B*Tree查询速度比B+Tree要快很多。Reiserfs在文件定位上速度非常快。

在实际运用中，ReiserFS 在处理小于 4k 的文件时，比ext2 快 5 倍；带尾文件压缩功能（默认）的ReiserFS 比ext2文件系统多存储6%的数据。

支持海量磁盘

ReiserFS是一个非常优秀的文件系统，一直被用在高端UNIX系统上，可轻松管理上百G的文件系统，ReiserFS文件系统最大支持的文件系统尺寸为16TB。这非常适合企业级应用中。

优异的性能

由于它的高效存储和快速小文件I/O特点，使用ReiserFs文件系统的PC，在启动X窗口系统时，所花的时间要比在同一台机器上使用ext2文件系统少1/3。另外，ReiserFS文件系统支持单个文件尺寸为4G的文件，这为大型数据库系统在linux上的应用提供了更好的选择。