文件系统概述

一、文件系统

在《Linux磁盘调度》的磁盘格式化中，介绍了磁盘的低级格式化和高级格式化，高级格式化就是为磁盘构件文件系统，那文件系统是什么呢？

可以将文件系统看作一个软件,它需要在磁盘上写入一些数据结构和数据,以扇区为单位写入,这个过程就叫做构建文件系统

1.1 文件系统概念

For most users，the file system is the most visible aspect of an operating system

对于大多数用户来说，文件系统是操作系统中最显而易见的，时刻都是使用文件系统
It provides the mechanism for on-line storage of and access to data and programs of the operating system and all the users of the computer system

文件系统为计算机系统提供了一种机制，这种机制可以在线存储和访问操作系统和所有用户的数据和程序
File systems live on devices，such as magnetic disk，SSDs

文件系统存在于设备上，例如磁盘SSD，
The file system consists of two distinct parts：a collection of files，each storing related data，and a directory structure，which organizes and provides information about all the files in the system

文件系统包含两个明显的部分：一个存储相关数据的文件集合和一个目录结构，目录结构用于组织和提供所有操作系统文件

磁盘格式化过程：

磁盘经过地址格式化之后，被分成了大小相等的扇区，将不同的扇区进行了分区，然后进行高级格式化，在每个分区中，最前面若干个扇区存放的是分区表，记录分区大小、分区性质(主分区/扩展分区)等，后面若干个扇区存放的是目录信息，每个分区都有一个根目录，根目录下面有若干个文件或目录，这些文件和目录的信息都存在目录信息中

1.2 文件概念

文件系统的概念中说明了文件系统包含文件和目录结构两个部分，那文件是什么？

1.2.1 文件定义

文件是信息的逻辑存储单位

说文件是信息的逻辑存储单位,是从用户的角度来看,对用户来说,一个文件可能包含段落、标题等这些逻辑信息结构
- 在用户看来，文件是具有结构的信息集合
- 在系统看来，文件的本质就是存储在外存当中的二进制集合
文件可以存储不同类型的信息，如文本文件、可执行文件、doc文档文件、xls表格文件

1.2.2 文件属性

文件名称

文件是“按名存取”的
文件类型

通常通过文件的后缀区分文件类型(pdf,txt,doc,exe,py等)

文件类型可用于指示文件的内部结构，操作系统通过了解文件类型决定对文件如何进行解释

一般地，操作系统至少要解释两种文件类型：文本文件(ASCII+控制符构成)、二进制可执行文件(win：.exe linux：./执行文件)

Unix认为每个文件由字节序列构成，解释这些字节的工作交给对应的应用程序完成。

以word应用程序为例，对于test.doc的文件，操作系统并不能解释，但word应用程序向操作系统注册了它可以解释test.doc文件，于是操作系统执行word的可执行文件启动应用，然后由应用程序来解释test.doc文件,如果找不到能解释test.doc文件的应用程序,操作系统就会提示无法打开,需要手工打开一个应用程序来解释该文件
位置

文件存放目录
大小

文件本身大小可能要比占用的磁盘空间小
时间、日期和用户标识

包含文件的创建时间、修改时间、访问时间；操作系统中用户标识有三种：当前用户、同组用户和其他所有人
保护

对于不同的用户，文件拥有者、同组用户和其他用户对文件的访问权限可能是不一样的，

1.3 文件的内部结构

磁盘是以扇区为基本读写单元，假设每个扇区的大小为512Bytes

文件被划分为若干个逻辑记录，每个逻辑记录占1Byte，假设文件刚好是512Bytes，操作系统将文件将这512个逻辑记录放进一个扇区，这个过程称为打包或成组，从扇区读取分解为不同的逻辑记录的过程称为分解

Linux里面,通常一个文件就是以一个字节为单位的

文件被划分为若干个逻辑记录，每个逻辑记录占xBytes，假设文件两个逻辑记录占512Bytes，操作系统将文件将每两个逻辑记录打包放进一个扇区

这种方式的文件系统主要用于数据库,数据库以每行记录为单位,每个记录可能占用若干个字节

1.4 访问方法

1.4.1 顺序访问

这种访问文件的方式最为常见，文件信息按顺序排序，读取/写入当前文件信息后，将文件指针移向下一个邻接区域
磁带模型

当前指针指示了当前读取的位置，如果继续读或者写，指针继续向前移动，如果需要读取前面的数据，则通过倒带，把指针移到前面的位置，然后再往后读，实现重复读写的能力

1.4.2 直接访问

若干文件的逻辑记录(logical record)的长度固定，那么允许在访问文件信息时可以按任意顺序进行快速读取和写入
磁盘模型
假设逻辑记录长度为L，若要访问某个文件的第N个逻辑记录(编号从0开始)，则可转换为：“访问从文件起始位置L*N开始的L字节”

1.5 文件目录

1.5.1 文件目录作用

The directory can be viewed as a symbal table that translates file names into their directory entries

文件目录作为一个符号表，用于将文件名转换对应的目录条目

在前面磁盘格式化过程中已经说到,在磁盘的每个分区中,第一个扇区存放的是分区信息,第二个分区存放的是目录信息

每个目录条目包含了文件名，基本属性，文件位置以及读写权限等信息

文件目录提供了以下功能：

1、查找文件(根据文件名)

2、创建文件、删除文件

3、文件重命名

4、列出文件目录所有文件和子目录

5、遍历文件系统，文件目录的除了可以包含文件，还可以包含子目录，遍历文件系统就是可以遍历所有目录以及子目录中的文件

1.5.2 文件目录结构

单层目录

单层目录是最简单的目录结构，所有的文件都存放在一个相同的目录中(只有一个目录)，这方结构比较容易理解和实现

这种方式最大的缺点是文件命名是一个很麻烦的是事情
两层目录

在两层目录结构中，系统中的每个用户有一个独立的文件目录(user file directory UFD)，每个UFD有相似的结构，但是每个用户只能看到自己的文件，当访问某个文件时，首先在系统中查找这个用户下的文件目录，然后判断当前目录是否有该文件
树型结构目录

1、树型结构目录允许用户在当前目录下再创建的子目录，并且管理对应的文件

2、每个树型结构都有一个根目录(Linux用“/”表示当前分区的根目录)，并且每个文件在系统中都有一个独一无二的路径名(相同路径下不能有同名文件,不同路径下可以有同名文件)

3、树型结构中，一个文件目录就是文件和子目录的集合

现在常用的操作系统,都使用树型结构的文件目录

1.6 共享与保护

1.6.1 用户和组

在多用户系统中，提出了文件共享和保护的需求
在文件和目录的属性中，加入了“用户”和“组”的概念

User：即为所有者(Owner)

Group：用户集合，它们拥有相同的访问权限
```
[root@zhuyuzhu ~]# ll
total 0
drwxr-xr-x 3 root root  24 Sep  1 14:25 lizhi
drwxr-xr-x 4 root root 166 Jul 16 16:22 logs
drwxr-xr-x 3 root root  18 Jul  5 20:02 nginx
```
在linux系统中可以通过“ls -l”或者“ll”列出文件信息，其中第一个root表示的就是用户，第二个root表示分组

1.6.2 文件访问控制

为每个文件或目录关联一个访问控制列表(Access Control List,ACL)可以实现基于身份的访问控制，以Linux为例：

每个文件/目录有三种用户类型：Owner/Group/Other
三种用户的访问权限均有readable/writable/executable(rwx)
每个文件/目录的ACL有9个bit来指示它的访问控制权限

因为ACL只用9个bit来表示，通过1或0来表示是否可读可写可执行，上图中，文件对于拥有者可读可写不可执行，对于同组同于可读不可写不可执行，而对于其他用户，不可读不可写不可执行，用字符表示就是“rw-r—-”。

文件的访问权限也可以使用数字表示,上图也表示的权限对应数字就是610,每3个bit对应一个数字

如上面的列出来的文件信息，第一个“d”表示这是一个目录而不是文件，后面九个字符分别代表了三种用户的访问权限