CentOS基础:文件系统

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我们知道不同的操作系统所使用的文件系统是不一样的。举例来说,Windows 98 以前所使用的是文件系统是 FAT,Windows 2000 以后的版本有所谓的 NTFS 文件系统。至于 Linux 的正规文件系统则为 Ext2(Linux second extended file system,Ext2fs)。之后又出现了改进版的 Ext3 和 Ext4 ,总体上变化不大。

文件系统的对比

我们经常听说 Windows 需要磁盘碎片整理,而 Linux 却不需要。这是为什么呢?

我们可以先看看 FAT 文件系统的数据访问方式,如下图所示。

CentOS基础:文件系统

假设一个文件的属性和权限信息是存放在 3 号的 inode 上,而文件的实际数据是存放在 1、4、6、11 这四个 block 中,那么当操作系统要访问该文件时,就能据此来排列磁盘的阅读顺序,可以扫描一次就将 4 个 block 内容读出来。这种访问方式称为索引式文件系统(indexed allocation)。而且 ext 在每两个文件之间都留有相当巨大的空闲空间。当文件被修改、体积增加时,它们通常有足够的空间来扩展。因此在一定程度上保证了 block 的访问范围不会跨度很大,减小了磁头的移动距离。

那 Windows 的文件系统是怎样的呢? 我们以 FAT 为例说明。

CentOS基础:文件系统

在往 FAT 文件系统中存入一个文件时,系统会尽量存放在靠近磁盘开始的地方。当你存入第二个文件时,它会紧挨着第一个文件。当进行频繁的删除修改后,block 就会分散的特别厉害。FAT 文件系统没有 inode 的存在,所以不能一下子将文件的所有 block 在一开始就读取出来。每个 block 号码都记录在前一个 block 当中,形成一个 block 链。当我们需要读取文件的时候,就必须一个一个地将 block 读出,例如上图的读出顺序为 1、6、3、12 。这就会导致磁头无法在磁盘转一圈就获得所有数据,有时候需要来回转好几圈才能读取到这个文件,导致文件读取性能极差。这就是 Windows 经常需要碎片整理的原因——使离散的数据汇合在一起

而 NTFS 文件系统虽然智能了一点,在文件周围分配了一些“缓冲”的空间,但经过一段时间的使用后, NTFS 文件系统还是会形成碎片。由于 ext 是索引式文件系统,所以基本上不太需要经常进行磁盘碎片整理。

ext2/ext3 文件系统

我们知道文件数据除了文件的实际内容外,通常还包括非常多的属性,例如 Linux 中的文件权限(rwx)和文件属性(拥有者、用户组、时间、大小等)。ext 文件系统将这两部分存放在不同的块,权限和属性存放在 inode 中,至于文件的实际数据则存放在 block 块中。另外还有一个超级块(super block)会记录整个文件系统的整体系统。每个 inode 和 block 都有自己的编号。

ext 文件系统在格式化的时候基本上是区分为多个块组(block group)的,每个块组都有独立的 inode/block/super block 系统。其整体展示图如下所示:

CentOS基础:文件系统

其中各个块的含义如下:

  • super block:记录此文件系统的整体系统,包括 inode 和 block 的总量、使用量、剩余量,以及文件系统类型等。
  • file system description:文件系统描述说明。描述每个 block group 的开始与结束的 block 号码。
  • block bitmap:块对照表。用来快速寻找可用的 block 块。
  • inode bitmap:inode对照表。用来快速寻找可用的 inode 块。
  • inode table:存放 inode 块的地方。它们是文件系统的关键。记录了文件的属性,一个文件占用一个 inode,同时包含多个指针,指向了属于该文件的各个 data block 块
  • data block:真正存放数据的地方。文件太大会占用多个 block 。

总结

本节主要讲述了 ext2/ext3 与其他文件系统的区别,以及不用磁盘碎片整理的原理。然后对 ext 文件系统的体系结构进行了剖析,说明了各个数据块的意义。重点是了解 inode 和 block 在 Linux 中所扮演的不同角色以及重要意义。

Linux 是一个文件王国,一切都以文件的形式存在。了解Linux的文件系统,是深入了解操作系Linux原理的重要一步。

参考资料

  • 鸟哥的Linux私房菜.基础学习篇