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linux文件系统-硬盘文件系统设计

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2020年5月9日 下午10:30

linux中inode结构设计

  1. inode版本1：
  2. inode版本2：Extents
    1. 实例：
      1. 除了根节点，其他的节点都保存在一个块 4k 里面，4k 扣除 ext4_extent_header 的 12 个 byte，剩下的能够放 340 项，每个 extent 最大能表示 128MB 的数据，340 个 extent 会使你表示的文件达到 42.5GB。
    2. 注意：
      1. Extend本质是一个指针(不是真正的保存数据)，只不过他能指向128M的内存连续内存空间，而不是仅仅一个4k的Block

Linux下对硬盘的划分设计方法：

  1. 版本1：组块 Block Group
    1. 理解超级块和块描述符的定义是关键：
      1. 超级块和块组描述符表都是全局信息，也就是整个硬盘的信息，而且这些数据很重要。如果这些数据丢失了，整个文件系统都打不开了，这比一个文件的一个块损坏更严重。所以，这两部分我们都需要备份，但是采取不同的策略。
      2. 块组描述符表我以前错误的理解为描述一个文件用多个块组的信息，没想到描述的是所有文件各自使用多个块组的信息，也就是整个硬盘的信息，这样就非常大了！
    2. 文件大小的计算：
      1. 一个数据块的位图可以表示的最大数据是128M
        1. 数据块的位图是放在一个块里面的，共 4k。每位表示一个数据块，共可以表示 4 * 1024 * 8 = 2^{15} 个数据块。如果每个数据块也是按默认的 4K，最大可以表示空间为 2^{15} * 4 * 1024 = 2^{27} 个 byte，也就是 128M。
      2. 块组描述符的引出，是用来表示大于128M文件的基础：
        1. 如果采用“一个块的位图 + 一系列的块”，外加“一个块的 inode 的位图 + 一系列的 inode 的结构”，最多能够表示 128M。是不是太小了？现在很多文件都比这个大。我们先把这个结构称为一个块组。有 N 多的块组，就能够表示 N 大的文件。
    3. 需要改进的原因：
      1. 对于超级块来讲，由于超级块不是很大，所以就算我们备份多了也没有太多问题。
      2. 但是，对于块组描述符表来讲，如果每个块组里面都保存一份完整的块组描述符表，一方面很浪费空间；另一个方面，由于一个块组最大 128M，而块组描述符表里面有多少项，这就限制了有多少个块组，128M * 块组的总数目是整个文件系统的大小，就被限制住了。
  2. 版本2：Meta Block Group
    1. 核心思想：化零为整(多个Block - > 一个Meta Block Group)
    2. 一个元块组包含 64 个块组，这样一个元块组中的块组描述符表最多 64 项
    3. 根据图中，每一个元块组包含 64 个块组，块组描述符表也是 64 项，备份三份，在元块组的第一个，第二个和最后一个块组的开始处。

文件和文件夹在Inode的设计方法(包含利用哈利进行加速的版本)

  1. 改进的地方：
    1. 如果我们要查找一个目录下面的文件名，可以通过名称取哈希。如果哈希能够匹配上，就说明这个文件的信息在相应的块里面。然后打开这个块，如果里面不再是索引，而是索引树的叶子节点的话，那里面还是 ext4_dir_entry_2 的列表，我们只要一项一项找文件名就行。
    2. 通过索引树，我们可以将一个目录下面的 N 多的文件分散到很多的块里面，可以很快地进行查找。

Inode进行软连接和硬链接的设计

  1. 硬链接与原始文件共用一个 inode 的，但是 inode 是不跨文件系统的，每个文件系统都有自己的 inode 列表，因而硬链接是没有办法跨文件系统的。
  2. 而软链接不同，软链接相当于重新创建了一个文件。这个文件也有独立的 inode，只不过打开这个文件看里面内容的时候，内容指向另外的一个文件。这就很灵活了。我们可以跨文件系统，甚至目标文件被删除了，链接文件还是在的，只不过指向的文件找不到了而已。
  3. Linux软连接和硬链接 - iTech - 博客园
    1. 删除符号连接f3,对f1,f2无影响；
    2. 删除硬连接f2，对f1,f3也无影响；
    3. 删除原文件f1，对硬连接f2没有影响，导致符号连接f3失效；
    4. 同时删除原文件f1,硬连接f2，整个文件会真正的被删除。
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      [oracle@Linux]$ touch f1          #创建一个测试文件f1
      [oracle@Linux]$ ln f1 f2          #创建f1的一个硬连接文件f2
      [oracle@Linux]$ ln -s f1 f3       #创建f1的一个符号连接文件f3
      [oracle@Linux]$ ls -li            # -i参数显示文件的inode节点信息
      total 0
      9797648 -rw-r--r--  2 oracle oinstall 0 Apr 21 08:11 f1
      9797648 -rw-r--r--  2 oracle oinstall 0 Apr 21 08:11 f2
      9797649 lrwxrwxrwx  1 oracle oinstall 2 Apr 21 08:11 f3 -> f1

总结一下 inode 和数据块在文件系统上的关联关系

  1. 为了表示图中上半部分的那个简单的树形结构，在文件系统上的布局就像图的下半部分一样。无论是文件夹还是文件，都有一个 inode。
  2. inode 里面会指向数据块，对于文件夹的数据块，里面是一个表，是下一层的文件名和 inode 的对应关系，文件的数据块里面存放的才是真正的数据。