LinuxIO与文件系统基础详解

本文详细介绍了Linux系统中的基础IO与文件系统，重点讲解了机械硬盘的结构和工作原理。机械硬盘由盘片、磁头、传动轴和主轴组成，其物理存储结构包括磁道、扇区和柱面。文章还探讨了数据的写入与读取过程，以及操作系统如何通过LBA逻辑块地址实现与硬件的解耦。此外，文中详细描述了文件系统的分治管理策略，包括块组内的信息、inode节点的作用以及文件的创建与删除过程。

磁盘是一种存储数据的设备，早期计算机主要使用软磁盘（软盘），而如今主要使用硬磁盘（硬盘）。当前市场上的硬盘主要分为机械硬盘和固态硬盘，两者各有优缺点。

机械硬盘：容量大、价格低廉、但读取速度较慢、体积较大（许多公司仍在使用，因为成本较低）。固态硬盘：读取速度快、体积小、但价格较高，且存储空间有限（当前大多数计算机使用固态硬盘）。

这里我们主要讲解的是机械硬盘，顾名思义，机械硬盘是计算机上唯一的一个机械设备。

基本结构

机械硬盘的基本结构主要包含以下部分：

盘片：一片两面，每一面都可以存储数据，有一摞盘片。 磁头：盘片每一面各有一个磁头，负责盘面数据的读取。 传动轴：用来控制磁头的进退。 主轴：控制盘片的稳定旋转。

存储结构

机械硬盘的物理存储结构主要分为磁道、扇区和柱面。（部分内容来源于：硬盘结构（机械硬盘和固态硬盘）详解）

磁道：每个盘片在逻辑上有许多不同半径的同心圆，最外面的同心圆称为0磁道。我们将每个同心圆称为磁道（注意，磁道只是逻辑结构，盘面上并没有实际的同心圆）。 扇区：在磁盘上，每个同心圆是磁道，从圆心向外呈放射状产生分割线（扇骨），将每个磁道等分为若干弧段，每个弧段就是一个扇区。每个扇区的大小固定，为512Byte。扇区也是磁盘的最小存储单位。 柱面：不同盘片中的相同磁道形成的一个圆柱。

数据的写入与读取

磁盘的存储介质为磁性材料，计算机内的数据由大量的0和1组成，磁头将这些电信号转化为磁信号。机械硬盘通过磁头对南北极的更改来实现数据的读取与写入。当通过CHS定位到具体扇区时：

向磁盘中写入数据：N -> S （0->1） 删除数据：S -> N (1->0) 数据的写入/删除与读取的本质是更改基本元素的南北极，读取南北极。

逻辑抽象

如上所说，如果操作系统（OS）能知道任意的CHS地址，就能访问任意一个扇区，但OS内部并不是直接使用CHS定位法。

这是因为OS是一个用于管理软硬件资源的软件，而CHS定位法是磁盘作为硬件使用的方法。由于硬件可能会随着时代的发展而不断改变，如果此时OS采用CHS，那么OS也需要随着硬件的更新而更新。耦合度太高，成本太大。因此，为了实现与硬件的解耦，OS采用一种新的定位方法——LBA逻辑块地址。

如下图所示：将磁道从最外层铺开，就像扯胶带一样拉开，就会得到一串连续的线性空间，我们把它想象成一个大数组，如下图所示：

此时计算机的常规访问方式，就变成了某一个数据块的起始地址+偏移量。这样也就完成了CHS到LBA的转换。因此，OS对于磁盘的管理，实际上就转化为了对这个大数组的管理。

当然，OS进行IO的基本单位是可以调整的，一般都是4KB，即一个数据块的大小，这也是为什么磁盘会被称为块设备的原因之一。这样也是为了提高IO效率，根据内存对齐原则。

文件系统分治管理

Windows下的分盘：

这种管理策略，有点类似于我们国内为了管理好整个国家，设置了各个省，而为了管理好一个省，又设置了各个市。只不过计算机的这种管理方式要更加简单些，因为管理的策略都一样，不像国内各个省市的管理要考虑当地具体情况。

块组内的信息

如上所说，OS只需要管理好一个块组，就能管理好所有的块组，进而管理好一个分区，再进而管理好整个文件系统。那么，一个块组内，都包含些什么呢？如下所示：

上面提到了一个inode节点，我们知道，Linux下一切皆文件，文件=内容+属性，Linux是将文件的内容与属性的数据分离开来，一个inode节点内，保存文件的各种属性信息，比如：文件的读写权限、拥有者、文件大小、对应的inode编号等。而文件的内容数据，则保存在data blocks中对应的一个或多个数据块中。

这里需要注意的是：

在文件的inode中，不包含文件名。 目录也是文件，也有自己的inode编号，其中目录的数据块中存放的则是该目录下的文件名与对应的inode编号的映射关系。两者互为Key值。 inode编号只在该分组所在的分区内有效。通过inode编号，就可以先确定所在分区，再确定所在分组。 一个文件对应一个inode编号。 任何文件，都在处于一个目录内。所以可以先通过inode Table找到目录的inode编号，找到inode编号，就找到了inode节点，节点内记载着各种属性，进而找到Block Bitmap的使用情况，根据Block Bitmap再来确定目录所使用的数据块，目录的数据块内包含目录下的文件名与文件的inode编号的映射关系，从而找到目录下的某一个具体文件。我们通过指令ls -l -i来查看文件的inode编号。

磁盘文件的创建与删除

文件创建

对于文件的创建，首先会找到一个空闲的inode节点，将文件属性记录在该节点内，同时将该inode节点对应的inode Bitmap的比特位由0置1。 寻找空闲的数据块，用来存储文件的相关内容，并将数据块的相关信息填入inode节点中，同时将对应的Block Bitmap由0置1。 将该文件名添加到当前目录文件的Date block中，并将该文件名与对应的inode编号连接起来。

文件删除

文件的删除，其实只需要对位图信息进行修改即可。 首先根据文件所在的目录。目录中的date Block记载着该目录下的文件名与inode编号的映射关系，根据映射关系，找到该文件对应的inode。 根据inode，将对应的Block Bitmap由1置0（删除内容）。 再根据inode，将对应的inode Bitmap由1置0。（删除属性）。

补充

补充一

我们知道，在文件的inode节点中，记载了数据块的相关使用信息，可能是用一个数组来记载，但是此时可能会面临一个问题，就是假如一个文件使用了15个数据块，而一个数据块的大小为4KB，也不是意味着该文件最多能放入15*4=60KB的内容？

答案是否定的，因为数据块里面有的可能并不是放着文件的内容，而是存放着该文件使用的其它数据块的索引。（有点类似套娃）。如下所示：

如上所示，一个数据块内，可能存在多级的索引关系，从而实现对大量数据的存储。

补充二

如上所说，文件的内容采用数据块存储，而一个数据块的大小为4KB，那么就可能会出现文件系统中存在大量的，内容非常少导致实际使用的空间很小（可能才几个字节，甚至更小），此时就会出现大量的空间浪费。

生活原本沉闷，但跑起来就会有风！?

今天关于《LinuxIO与文件系统基础详解》的内容介绍就到此结束，如果有什么疑问或者建议，可以在golang学习网公众号下多多回复交流；文中若有不正之处，也希望回复留言以告知！