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!

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