文件系统和目录结构

  Linux以文件的形式对计算机中的数据和硬件资源进行管理，也就是彻底的一切皆文件，反映在Linux的文件类型上就是：普通文件、目录文件（也就是文件夹）、设备文件、链接文件、管道文件、套接字文件（数据通信的接口）等等。而这些种类繁多的文件被Linux使用目录树进行管理， 所谓的目录树就是以根目录（/）为主，向下呈现分支状的一种文件结构。不同于纯粹的ext2之类的文件系统，我把它称为文件体系，一切皆文件和文件目录树的资源管理方式一起构成了Linux的文件体系，让Linux操作系统可以方便使用系统资源。

一、文件系统概述

1、linux文件系统模型

  由上而下主要分为用户层、VFS层、文件系统层、缓存层、块设备层、磁盘驱动层、磁盘物理层。

2、文件I/O与标准I/O

  文件IO又被称为不带缓冲的IO，“不带缓冲“是指每个读写操作都调用系统内核的一个系统调用。文件IO与标准IO的区别在于：

• 标准IO默认采用缓冲机制，打开文件的同时，在内存中建立一个缓冲区；而文件IO一般不会建立缓冲区，需要手动创建；
• 标准IO针对的是控制台、打印输出到屏幕等；文件IO主要是对文件操作、读写硬盘等；
• 标准IO是跨平台的，二文件IO只适用于Unix/Linux平台。

3、文件描述符

  对内核而言，所打开的文件都是通过文件描述符引用，当打开一个现有文件或者创建一个新文件时，内核向进程返回一个文件描述符，该文件描述符对文件进行读写操作。
  通过将文件描述符0与标准输入相关联，将文件描述符1与标准输出相关联，将文件描述符2与标准错误相关联（STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO、STDERR_FILENO）。

4、缓冲机制

  基于流的操作最终都会以系统调用的形式进行IO操作，为了通过程序的运行效率，流对象通常会提供缓冲区，以减少系统调用的次数。

1. 全缓冲：直到缓冲区被填满，才调用系统IO函数。

2. 行缓冲：直到遇到换行符’\n’，才调用系统IO函数。

3. 无缓冲：没有缓冲区，数据立即读入或者输出到外存文件或设备上。

二、文件类型

  UNIX系统的大多数文件是普通文件或目录，但是也有另外一些文件类型。文件类型包括如下几种：

1、普通文件（-）

• 从Linux的角度来说，类似mp4、pdf、html这样应用层面上的文件类型都属于普通文件；
• Linux用户可以根据访问权限对普通文件进行查看、更改和删除。

2、目录文件（d，directory file）

• 目录文件对于用惯Windows的用户来说不太容易理解，目录也是文件的一种；
• 目录文件包含了各自目录下的文件名和指向这些文件的指针，打开目录事实上就是打开目录文件，只要有访问权限，你就可以随意访问这些目录下的文件（普通文件的执行权限就是目录文件的访问权限），但是只有内核的进程能够修改它们；
• 虽然不能修改，但是我们能够通过vim去查看目录文件的内容。

3、块设备文件（b，block）和字符设备文件（c，char）

• 这些文件一般隐藏在/dev目录下，在进行设备读取和外设交互时会被使用到；
• 比如磁盘光驱就是块设备文件，串口设备则属于字符设备文件；
• 系统中的所有设备要么是块设备文件，要么是字符设备文件，无一例外。

4、符号链接（l，symbolic link）

• 这种类型的文件类似Windows中的快捷方式，是指向另一个文件的间接指针，也就是我们常说的软链接。

5、FIFO（p，pipe）

• 管道文件主要用于进程间通讯。比如使用mkfifo命令可以创建一个FIFO文件，启用一个进程A从FIFO文件里读数据，启动进程B往FIFO里写数据，先进先出，随写随读。

6、套接字（s，socket）

• 用于进程间的网络通信，也可以用于本机之间的非网络通信；
• 这些文件一般隐藏在/var/run目录下，证明着相关进程的存在。

使用ls -l 命令 也可以查看文件的类型：

# ls -l
总用量 40
drwxr-xr-x 2 root   root    4096 Mar 30 16:42 test
-rw-r--r-- 1 root   root     872 Mar 30 15:04 test.c

三、文件系统结构与工作原理

  ext4文件系统的结构：

引导块：为磁盘分区的第一个块，记录文件系统分区的一些信息，，引导加载当前分区的程序和数据被保存在这个块中，一般占用2kB。

超级块：用于存储文件系统全局的配置参数(譬如：块大小，总的块数和inode数)和动态信息(譬如：当前空闲块数和inode数)，其处于文件系统开始位置的1k处，所占大小为1k。为了系统的健壮性，最初每个块组都有超级块和组描述符表(以下将用GDT)的一个拷贝，但是当文件系统很大时，这样浪费了很多块(尤其是GDT占用的块多)，后来采用了一种稀疏的方式来存储这些拷贝，只有块组号是3, 5 ,7的幂的块组(譬如说1,3,5,7,9,25,49…)才备份这个拷贝。通常情况下，只有主拷贝(第0块块组)的超级块信息被文件系统使用，其它拷贝只有在主拷贝被破坏的情况下才使用。

块组描述符：GDT用于存储块组描述符，其占用一个或者多个数据块，具体取决于文件系统的大小。它主要包含块位图，inode位图和inode表位置，当前空闲块数，inode数以及使用的目录数(用于平衡各个块组目录数)，具体定义可以参见ext3_fs.h文件中struct ext3_group_desc。每个块组都对应这样一个描述符，目前该结构占用32个字节，因此对于块大小为4k的文件系统来说，每个块可以存储128个块组描述符。由于GDT对于定位文件系统的元数据非常重要，因此和超级块一样，也对其进行了备份。GDT在每个块组(如果有备份)中内容都是一样的，其所占块数也是相同的。从上面的介绍可以看出块组中的元数据譬如块位图，inode位图,inode表其位置不是固定的，当然默认情况下，文件系统在创建时其位置在每个块组中都是一样的，如图2所示(假设按照稀疏方式存储，且n不是3,5,7的幂)

块组：每个块组包含一个块位图块，一个 inode 位图块，一个或多个块用于描述 inode 表和用于存储文件数据的数据块，除此之外，还有可能包含超级块和所有块组描述符表(取决于块组号和文件系统创建时使用的参数)。下面将对这些元数据作一些简要介绍。

块位图：块位图用于描述该块组所管理的块的分配状态。如果某个块对应的位未置位，那么代表该块未分配，可以用于存储数据；否则，代表该块已经用于存储数据或者该块不能够使用(譬如该块物理上不存在)。由于块位图仅占一个块，因此这也就决定了块组的大小。

Inode位图：Inode位图用于描述该块组所管理的inode的分配状态。我们知道inode是用于描述文件的元数据，每个inode对应文件系统中唯一的一个号，如果inode位图中相应位置位，那么代表该inode已经分配出去；否则可以使用。由于其仅占用一个块，因此这也限制了一个块组中所能够使用的最大inode数量。

Inode表：Inode表用于存储inode信息。它占用一个或多个块(为了有效的利用空间，多个inode存储在一个块中)，其大小取决于文件系统创建时的参数，由于inode位图的限制，决定了其最大所占用的空间。

以上这几个构成元素所处的磁盘块成为文件系统的元数据块，剩余的部分则用来存储真正的文件内容，称为数据块，而数据块其实也包含数据和目录。

读取文件的过程：

1. 根据文件所在目录的inode信息，找到目录文件对应数据块；

2. 根据文件名从数据块中找到对应的inode节点信息；

3. 从文件inode节点信息中找到文件内容所在数据块块号；

4. 读取数据块内容。

四、目录结构

/ (root 文件系统) ： root 文件系统是文件系统的*目录。它必须包含在挂载其它文件系统前需要用来启动 Linux 系统的全部文件。它必须包含需要用来启动剩余文件系统的全部可执行文件和库。文件系统启动以后，所有其他文件系统作为 root 文件系统的子目录挂载到标准的、预定义好的挂载点上。

/bin ：目录包含用户的可执行文件。

/boot：包含启动 Linux 系统所需要的静态引导程序和内核可执行文件以及配置文件。

/dev：该目录包含每一个连接到系统的硬件设备的设备文件。这些文件不是设备驱动，而是代表计算机上的每一个计算机能够访问的设备。

/etc：包含主机计算机的本地系统配置文件。

/home：主目录存储用户文件，每一个用户都有一个位于 /home 目录中的子目录（作为其主目录）。

/lib：包含启动系统所需要的共享库文件。

/media：一个挂载外部可移动设备的地方，比如主机可能连接了一个 USB 驱动器。

/mnt：一个普通文件系统的临时挂载点（如不可移动的介质），当管理员对一个文件系统进行修复或在其上工作时可以使用。

/opt：可选文件，比如供应商提供的应用程序应该安装在这儿。

/sbin：系统二进制文件。这些是用于系统管理的可执行文件。

/tmp：临时目录。被操作系统和许多程序用来存储临时文件。用户也可能临时在这儿存储文件。注意，存储在这儿的文件可能在任何时候在没有通知的情况下被删除。

/usr：该目录里面包含可共享的、只读的文件，包括可执行二进制文件和库、man 文件以及其他类型的文档。

/var：可变数据文件存储在这儿。这些文件包括日志文件、MySQL 和其他数据库的文件、Web 服务器的数据文件、邮件以及更多。

参考：https://blog.csdn.net/xingyue0422/article/details/78395858
https://www.cnblogs.com/bellkosmos/p/detail_of_linux_file_system.html
https://blog.csdn.net/new0801/article/details/63687127