Linux快速入门（1）一一文件系统简介

2024年3月12日 126次阅读来源: efrey

1. Linux常见的文件系统

EXT（Extended File System）
- EXT2：Linux的第一个设计为一个商业级文件系统，沿用 BSD 的 Berkeley 文件系统的设计原理。提供了GB级别的最大文件和TB级别的文件系统。但是如果在将数据写入到磁盘的时候，系统发生崩溃或断电，则容易发生灾难性的数据损坏。
- EXT3：使用 32 位内部寻址，引入日志事务解决了EXT2数据损坏问题。三个级别的日志记录方式日记(journal)、顺序(ordered)和回写(writeback)。
- EXT4：使用 48 位的内部寻址，可以存储最大16TB的单一文件，支持最大1EB的分区容量。EXT -> EXT2 -> EXT3 -> EXT4
XFS （Extents File System）
它是一个 64 位的日志文件系统，自 2001 年以来内置于 Linux 内核中，为大型文件系统和高度并发性提供了高性能（即大量的进程都会立即写入文件系统）。从 RHEL 7 开始，XFS 成为 Red Hat Enterprise Linux 的默认文件系统。
ZFS（Zettabyte File System）
Sun Microsystems 开发，以 zettabyte 命名 —— 相当于 1 万亿 GB —— 因为它理论上可以解决大型存储系统。
Btrfs（B-Tree Filesystem）
Chris Mason 于 2007 年在 Oracle 任职期间发布。Btrfs 旨在跟 ZFS 有大部分相同的目标，提供多种设备管理、每块校验、异步复制、直列压缩等等。SUSE Enterprise Linux 在 2015 年采用它作为默认文件系统，而 Red Hat 于 2017 年宣布它从 RHEL 7.4 开始不再支持 Btrfs。

2. Linux系统的层次

        =======================================================
        |            Application                              |    User space
        =======================================================
        |         SCI (System Call Interface)                 |  K
        |-----------------------------------------------------|  e
        |         VFS (Virtual File System)                   |  r
        |-----------------------------------------------------|  n
        |      Ext3 | Ext4 | XFS | ZFS | Btrfs | ...          |  e
        |-----------------------------------------------------|  l
        |         General Block Device Layer                  |  
        |-----------------------------------------------------|    Kernel space
        |           Device Driver                             |
        =======================================================
        |           Physical Disk                             |    Hardware
        =======================================================

清单2-1

Kernel Space

Device Driver

常见的硬盘类型有PATA、SATA以及AHCI等。

General Block Device Layer

为文件系统提供统一抽象的硬盘驱动接口，屏蔽不同硬盘驱动带来的IO接口的多样性和复杂性。

File System

管理文件的实际系统。常用的如Ext4等。

VFS

向SCI层提供统一抽象的文件系统接口。

SCI

为用户程序提供系统调用的接口。

3. 文件存储结构

Linux中，文件 = inode + 数据块

inode：又称文件索引节点，存放文件的元信息
数据块：存放文件内容的区域

有些介绍文件存储结构的文章说

一个文件包含了目录项、inode和数据块

这个说法是不准确的。目录项并不是文件存储结构的组成部分，目录项只是数据块的数据而已。在Linux中，目录也是一种文件，即目录文件（文件类型为目录）。对于目录文件而言，其数据块存放的是目录项，即目录下所有的文件名和文件的inode编号。

通常我们在使用ls -al命令查看目录结构时，返回结果的前两个的目录名分别时.和..：

[root@localhost /]# ls -al
total 16
dr-xr-xr-x.  17 root root  224 Aug  7 00:25 .
dr-xr-xr-x.  17 root root  224 Aug  7 00:25 ..

清单3-1

清单3-1种，.指向的是当前目录inode，..指向的是上一级目录的inode。

inode的元信息通常包括：

文件类型（regular file, directory, symbolic link etc.）
文件的字节数
分配给文件的block数量
Inode编号
文件的硬链接数量（详见5.文件链接，hard link）
文件的访问权限（详见4. 文件权限控制）
文件的时间戳（atime：access time, mtime：modify time, ctime：inode change time）
文件数据块的地址数组

使用state <path>命令可以查看指定目录或文件的inode信息。以/dev目录文件为例：

[root@localhost ~]# stat /etc
  File: ‘/etc’
  Size: 8192            Blocks: 24         IO Block: 4096   directory
Device: fd00h/64768d    Inode: 67160161    Links: 79
Access: (0755/drwxr-xr-x)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Context: system_u:object_r:etc_t:s0
Access: 2019-09-05 23:42:58.818662000 +0800
Modify: 2019-09-05 11:29:26.972884600 +0800
Change: 2019-09-05 11:29:26.972884600 +0800

清单3-2

4. 文件权限控制

4.1. 文件的属性

使用ls -l <path>命令可以查看到指定path下的文件相关的属性信息。以/bin/目录为例：

[root@localhost efrey]# ls -l /bin/
total 68012
-rwxr-xr-x.   1 root root     41544 Oct 31  2018 [
-rwxr-xr-x.   1 root root    107904 Jan 22  2019 a2p
-rwxr-xr-x.   1 root root     52720 Jul 30 01:20 ab
-rwxr-xr-x.   1 root root     29200 Oct 30  2018 addr2line
-rwxr-xr-x.   1 root root        29 Oct 31  2018 alias
lrwxrwxrwx.   1 root root         6 Aug  7 00:22 apropos -> whatis
......
[   1   ]   [2] [3] [4]     [  5  ] [     6    ] [        7        ]

清单4-1

清单4-1的返回信息分为7列：
[1]：文件的权限
[2]：文件的hard link数量
[3]：文件的拥有者(owner)
[4]：文件的组（group）
[5]：文件的字节数
[6]：文件的mtime（modify time，文件最后被修改的时间）
[7]：文件名

4.2. 文件的权限分配

4.2.1. 权限类型

Linux文件系统的权限类型有3种：

r （Read）
文件的r权限意味着可以读取文件的内容；
目录的r权限意味着可以读取目录的内容（子目录与文件名清单）。
w （Write）
文件的w权限意味着可以修改文件的内容；
目录的w权限意味着可以新建子目录、文件，也可以对其子目录、文件名进行修改、删除、移动。
x （eXecute）
文件的x权限意味着该文件可以被执行；
目录的x权限比较特殊，rw权限都依赖与x权限。如果只为用户分配了某个目录的rw权限但是没有x权限，该用户仍然无法访问这个目录的。
我们做个验证，首先在登陆用户的home目录内新建一个目录fldr，系统默认的owner权限为rwx。此时将目录fldr的owner权限修改为rw，然后再试着访问fldr：
```
[efrey@localhost ~]$ mkdir fldr
[efrey@localhost ~]$ ls -l
total 0
drwxrwxr-x. 2 efrey efrey 6 Sep  6 22:53 fldr
[efrey@localhost ~]$ touch fldr/test.txt
[efrey@localhost ~]$ ls -l fldr
total 0
-rw-rw-r--. 1 efrey efrey 0 Sep  6 22:54 test.txt
[efrey@localhost ~]$ sudo chmod u=rw,g=rw,o=r fldr
[efrey@localhost ~]$ ls -l fldr
ls: cannot access fldr/test.txt: Permission denied
total 0
-????????? ? ? ? ?            ? test.txt
```
清单4-2

4.2.2. 文件权限的涵义

从清单4-1中可以看到第[1]栏的文件权限，总共有10个字符。以第一行的文件权限-rwxr-xr-x为例，这10位字符的权限涵义可以划分为1+3+3+3 总计4个段落(- + rwx + r-x + r-x)：

段落1：左起第1位字符。这1个字符代表文件的类型。文件的类型比较常见的有，-表示为普通的文件；d表示是目录；l表示是symbolic link（soft Link）等。
段落2：第2~4位字符。这3个字符代表文件所有者的权限。第2位字符表示r权限，第3位表示w权限，第4位表示x权限。如果权限位字符为-则表示没有该权限。
段落3：第5~7位字符。这3个字符代表用户组的权限。权限位的字符涵义同上。
段落4：第8~10位字符。这3个字符代表其他用户的权限（非所有者和该用户组的用户）。权限位的字符涵义同上。

4.2.3. 修改文件的权限

chmod命令：改变文件的权限设置, 还可以设置SUID, SGID, SBIT等特殊性质的权限。

例如为文件test设置权限：所有者为rwx，用户组为rx，其他用户为rx，则执行的命令为chmod u=rwx, g=rx, o=rx test
上面的命令又可以简化为chmod 755 test。即所有者、用户组、其他用户这三组权限分别用一个数值表示。

具体的转换规则如下：每一组权限有3个权限位字符，每个字符对应一个八进制的数字：
- 第1位：r=4, -=0
- 第2位：w=2，-=0
- 第3位：x=1，-=0
最后将这3位的数值相加的和就是这一组权限的数值。
例如`-rwxr-xr-x`，对应的权限值为`755`。计算过程如下，三组权限分别为：
- rwx = 4 + 2 + 1 = 7
- r-x = 4 + 0 + 1 = 5
- r-x = 4 + 0 + 1 = 5

5. 文件的链接

Linux中文件有两种链接方式：Hard link和soft link。

hard link

第3节我们提到了文件的存储结构，一个文件是由inode和数据块两部分组成的。目录下的文件名本质就是指向该文件inode的一个hard link（文件名比inode编号更容易记忆和使用），一个文件至少有一个hard link文件名。
使用ln filename newfilename可以为一个文件创建多个hard link文件名。
我们用一个例子来演示，首先创建一个demo.txt文件，然后用这个文件创建一个hard link文件hdemo.txt，最后查看文件及其inode编号：

[root@localhost efrey]# echo 'file link demo' > demo.txt
[root@localhost efrey]# ln demo.txt hdemo.txt
[root@localhost efrey]# ls -il
total 8
110 -rw-r--r--. 2 root root 15 Sep  6 17:05 demo.txt
110 -rw-r--r--. 2 root root 15 Sep  6 17:05 hdemo.txt

从上面的例子可以看到，在当前目录中，demo.txt文件(inode id = 110)及其hard link文件名都指向同一个inode编号。文件的link数是2（第3列）
即使原文件被删除，仍然可以通过hard link文件访问文件内容。

soft link：

soft link就是指向某个path的一个快捷方式，path可为目录文件或普通文件。soft link并不会增加文件的link数。一旦原文件名被删除，则soft link文件就无法找到文件的inode。
使用ln -s filename newfilename可以创建soft link。

[root@localhost efrey]# ln -s demo.txt sdemo.txt
[root@localhost efrey]# ls -il
total 8
110 -rw-r--r--. 2 root root 15 Sep  6 17:05 demo.txt
110 -rw-r--r--. 2 root root 15 Sep  6 17:05 hdemo.txt
111 lrwxrwxrwx. 1 root root  8 Sep  6 17:19 sdemo.txt -> demo.txt

可以看到，为文件demo.txt增加soft link之后，文件的link数量并未增加。而ls命令返回结果的第二列，权限信息中的第一个字母变成了l（symbolic link）。此时如果用rm -f demo.txt命令删除demo.txt，再用cat sdemo.txt命令访问sdemo.txt就会收到No such file or directory的提示，因为虽然文件本身仍然在，但是快捷方式指向的demo.txt文件名被删除了。

[root@localhost efrey]# echo "I am new demo" > demo.txt

[root@localhost efrey]# ls -il
total 8
112 -rw-r--r--. 1 root root  1 Sep  6 17:25 demo.txt
110 -rw-r--r--. 1 root root 15 Sep  6 17:05 hdemo.txt
111 lrwxrwxrwx. 1 root root  8 Sep  6 17:19 sdemo.txt -> demo.txt

[root@localhost efrey]# cat sdemo.txt
I am new demo

此时再用echo '' > demo.txt新建文件，此时这个demo.txt文件的inode编号已经改变为112了，和原来的demo.txt已经不是同一个文件了；而我们查看sdemo.txt的内容已经是112这个demo.txt文件的了。

    原文作者：efrey
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