Unix系统编程读书笔记-文件系统

发表于 4年以前  | 总阅读数:695 次

文件系统

设备专用文件

在内核中,每种设备类型都有与之相对应的设 备驱动程序,用来处理设备的所有 I/O 请求。设备驱动程序属内核代码单元,可执行一系列操 作,(通常)与相关硬件的输入/输出动作相对应。由设备驱动程序提供的 API 是固定的,包含的操作对应于系统调用 open()、close()、read()、write()、mmap()以及 ioctl()。

可将设备划分为以下两种类型

  • 字符型设备基于每个字符来处理数据。终端和键盘都属于字符型设备
  • 块设备则每次处理一块数据。块的大小取决于设备类型,但通常为 512 字节的倍数。 磁盘和磁带设备都属于块设备

设备 ID:

  • 每个设备文件都有主、辅 ID 号各一。主 ID 号标识一般的设备等级,内核会使用主 ID 号 查找与该类设备相应的驱动程序。辅 ID 号能够在一般等级中唯一标识特定设备。命令 ls –l 可显示出设备文件的主、辅 ID
  • 设备文件的 i 节点中记录了设备文件的主、辅 ID

磁盘和分区

可将每块磁盘划分为一个或多个(不重叠的)分区。内核则将每个分区视为位于/dev 路 径下的单独设备。

磁盘分区可容纳任何类型的信息

  • 文件系统:用来存放常规文件

  • 数据区域:可做为裸设备对其进行访问

  • 交换区域:供内核的内存管理之用

    可使用 Linux 专有文件/proc/swaps 来查看系统中当前已激活交换区域的信息

文件系统

从 Linux 的专有文件/proc/filesystems 中可以查看当前为内核所知的文件系统类型

传统文件系统 ext2文件系统(非日志文件系统)。在文件系统中,用来分配空间的基本单位是逻辑块,亦即文件系统所在磁盘设备上若干连续的物理块。

文件系统由以下几部分组成

-w500

  • 引导块:总是作为文件系统的首块。引导块不为文件系统所用,只是包含用来引导操作系统的信息。

  • 超级块:紧随引导块之后的一个独立块,包含与文件系统有关的参数信息

    • i 节点表容量
    • 文件系统中逻辑块的大小
    • 以逻辑块计,文件系统的大小
  • i 节点表:文件系统中的每个文件或目录在 i 节点表中都对应着唯一一条记录

  • 数据块:文件系统的大部分空间都用于存放数据,以构成驻留于文件系统之上的文件和目录

i 节点

针对驻留于文件系统上的每个文件,文件系统的 i 节点表会包含一个 i 节点。

i 节点所维护的信息包含

  • 文件类型
  • 文件属主
  • 文件属组
  • 3 类用户的访问权限
  • 对文件的最后访问时间(ls –lu 所显示的时间)
  • 对文件的最后修改时间(也是 ls –l 所默认显示的时间)
  • 文件状态的最后改变时间(ls –lc 所显示的最后 改变 i 节点信息的时间)
  • 指向文件的硬链接数量
  • 文件的大小,以字节为单位
  • 实际分配给文件的块数量,以 512 字节块为单位
  • 指向文件数据块的指针

虚拟文件系统VFS

虚拟文件系统 (VFS,有时也称为虚拟文件交换)是一种内核特性,通过为文件系统操作创建抽象层来解决各种底层文件系统的差异性。

-w500

  • VFS 针对文件系统定义了一套通用接口。
  • 每种文件系统都会提供 VFS 接口的实现

VFS 接口的操作与涉及文件系统和目录的所有常规系统调用相对应,这些系统调用有 open()read()write()lseek()close()truncate()stat()vmount()umount()mmap()mkdir()link()unlink()symlink() 以及 rename()

日志文件系统

采用日志文件系统,则无需在系统崩溃后对文件进行漫长的一致性检查。

在实际更新文件之前,日志文件系统会记录元数据更新(还可有选择地记录数据更新和文件 系统更新)。这也意味着,一旦系统崩溃,系统可以重放(replay)日志文件,并迅速将文件 系统恢复到一致状态。

日志文件系统最为昭著的臭名在于增加了文件更新的时间,当然,良好的设计可以降低这方面的开销。

Linux支持的日志文件系统:

  • Reiserfs 是首个被集成进内核(版本号为 2.4.1)的日志文件系统
  • ext3 文件系统,源于一个旨在以最小改动为 ext2 追加日志功能的项目
  • JFS
  • XFS
  • ext4 文件系统
  • Btrfs(B-树 FS, 一般读作“butter FS”)

文件系统的挂载和卸载

系统调用 mount()和 umount()运行特权级进程(CAP_SYS_ADMIN)以挂载或卸载文件系统。

  • 通过 Linux 专有的虚拟文件/proc/mounts, 可查看当前已挂载文件系统的列表。
  • mount(8)和 umount(8)命令会自动维护/etc/mtab 文件。但是系统调用 mount()和 umount()并不更新/etc/mtab, 如果某些挂载或卸载了设备的应用程序没有更新该文件,那么/etc/mtab 可能会变得不准确。
  • /etc/fstab(由系统管理员手工维护)包含了对系统支持的所有文件系统的描述, 该文件可供 mount(8)、umount(8)以及 fsck(8)所用。

fstab格式

-w240

  • 已挂载设备名
  • 设备的挂载点
  • 文件系统类型
  • 挂载标志
  • 一个数字, dump(8)会使用其来控制对文件系统的备份操作。 只有/etc/fstab 文件才会用到该字段和第 6 个字段,在/proc/mounts 和/etc/mtab 中,该字段总是为 0
  • 一个数字,在系统引导时,用于控制 fsck(8)对文件系统的检查顺序

相关系统调用:

mount()系统调用将由 source 指定设备所包含的文件系统,挂载到由 target 指定的目录下

-w806

umount()系统调用用于卸载已挂载的文件系统

-w801

系统调用 umount2()是 umount()的扩展版。 通过 flags 参数, umount2()可对卸载操作施以 更精密的控制

-w803

虚拟内存文件系统:tmpfs

该文件系统不但使用 RAM, 而且在 RAM 耗尽的情况下,还会利用交换空间。

要创建 tmpfs 文件系统,请使用如下形式的命令

-w307

特殊用途

  • 由内核内部挂载的隐形 tmpfs 文件系统,用于实现 System V 共享内存和 共享匿名内存映射
  • 挂载于/dev/shm 的 tmpfs 文件系统,为 glibc 用以实现 POSIX 共享内存和 POSIX 信号量

获得与文件系统有关的信息:statvfs()

statvfs()和 fstatvfs()库函数能够获得与已挂载文件系统有关的信息

-w804

参数导出的返回值statvfs结构体

-w801

许多原生 UNIX 和 Linux 文件系统,都支持为超级用户预留一部分文件系统块,如 此一来,即便在文件系统空间耗尽的情况下,超级用户仍可以登录系统解决故障。

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