1.文件系统

在一台电脑中，大部分文件都不是被打开的，这些文件都在磁盘中进行保存。已经打开的文件需要管理，没有被打开的文件同样需要管理，所以需要文件系统。

1.1 磁盘物理存储结构

磁盘是一种用于存储数据的硬件设备，通常分为机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）两大类。机械硬盘通过旋转的磁性盘片和磁头读写数据，而固态硬盘则使用闪存芯片，没有机械部件。因为大容量磁盘比较便宜，大型公司还是使用磁盘，我们这里讲解一下磁盘的结构。

磁盘的主要组成部分：

盘片(Platter)：表面覆盖磁性材料的圆形金属片
磁头(Head)：读写数据的电磁组件
磁道(Track)：盘片上的同心圆环
扇区(Sector)：磁道的最小存储单元（通常512字节或4K）
柱面(Cylinder)：所有盘片同一磁道组成的立体结构

一个盘面可以有很多个同心磁道，一圈磁道可以有很多扇区，扇区是磁盘最小的存储单元。

如果我们想向一个扇区写入，我们寻址的过程是这样的：

确定盘面
确定磁盘
确定扇区

1.2 磁盘逻辑存储结构

我们把磁盘抽象成连续的线性空间。

那我们如何寻找一个扇区呢，我们可以给每个扇区编号，比如1~100000第一面，100001~200000第二面，对磁盘的管理就变成了对数组的管理。

操作系统中，可以按照扇区为单位进行存取，也可以基于文件系统，按照文件块为单位进行存取。一个文件块可以有多个扇区组成，这样可以更好的应用空间局部性原理，就可以理解为什么说磁盘是块设备了，即按照块的大小从磁盘中读取数据。

1.3 inode编号

文件系统时如何实现并找到我们的文件的呢？文件系统为每个文件分配一个inode编号，通过inode编号进行查找。

Linux ext2文件系统，上图为磁盘文件系统图（内核内存映像肯定有所不同），磁盘是典型的块设备，硬盘分区被划分为一个个的block。一个block的大小是由格式化的时候确定的，并且不可以更改。例如mke2fs的-b选项可以设定block大小为1024、2048或4096字节。而上图中启动块（Boot Block）的大小是确定的，

Block Group：ext2文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。

Datablocks：数据区存放文件内容。
inode Table（inode表）：struct inode inode_table[N]

inode Table中有很多inode结构体，一般情况下一个文件一个inode，且在整个分区具有唯一性。不同分区可以装不同的操作系统。

struct inode
{大小，权限，拥有者，所属组，修改时间，inode编号，引用计数；int blocks[N];
}

inode存放文件的属性信息，Data blocks中存放文件的内容。其中inode编号不同表示不同文件，其中 block[N] 表示所用块的下标，N一般不会太大，比如N是15时，0~10使用直接映射，11~12使用二级映射，13~14使用三级映射，可以跨组存储。

inode位图（inode Bitmap）：每个bit表示一个inode是否空闲可用。
块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用。一个比特位表示一个块。
GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息，有兴趣的同学可以深入了解。
超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏。超级块不是每个块组都有，一般只有3~4个块组有。

用户使用操作系统时使用的是文件名，而内核只使用inode编号，所有我们的目录文件中存储的就是该目录下文件与inode编号的映射。

inode编号同一分区内唯一，不同分区inode编号可以相同，那么操作系统如何判断相同inode编号的文件在那个分区的呢？

访问文件时都是需要知道该文件的目录，不同目录创建时会通过挂载知道属于哪个分区。

2. 软硬链接

通过 ln -s 指令可以为文件建立软链接，不加 s 为文件建立硬链接。

ln -s 文件名 链接名

2.1 软链接

为log建立软连接，通过 ls -l -i 可以看到文件第一个属性是inode编号。

ln -s log log.soft.link

可以看到文件和其软链接inode编号不同，可以判断出这是两个不同的文件，软链接是一个独立的文件。软链接内容是指向目标文件的路径，类似于windows的快捷方式。

软链接的文件属性是 l，说明是链接文件。

2.2 硬链接

为hello文件创立一个硬链接。

ln hello hello.hard.link

可以看到普通文件与其硬链接inode编号相同，硬链接不是一个独立的文件，且文件属性是 - ，普通文件。

那硬链接是什么呢？硬链接是在指定的的目录内部添加一组映射关系（文件名<-> inode编号）。inode编号相同，访问磁盘时也是访问相同的inode。

第三个属性就是该文件的硬链接数，当一个文件的硬链接数是0时，该文件才算是真正地被删除。在文件系统层面，inode内部有引用计数，表明有几个文件名与inode编号有映射关系。

2.3 目录文件的软硬链接

创建一个新文件和一个新目录

mkdir newdir
touch newfile

可以发现新普通文件的硬连接数时1，而新目录的硬连接数是2。我们可以通过 ls -a，可以看到 . 和 .. 两个隐藏目录文件，. 代表当前目录，.. 代表上一级目录。本级的 newdir 和 newdir 中的 . 都指向该目录，所以新建目录的硬连接数是2，当 newdir 中每新建一个目录，newdir 的硬链接数都会加1，因为在 newdir 中新建的目录中都有 .. 指向 newdir 。

. 与 .. 都属于目录的硬链接，但是用户是不能给目录文件建立硬链接。因为在执行一些查找命令时会通过目录查找，会陷入循环，且硬链接文件是普通文件，可能绕过权限检查，当然还存在其他等等问题。