Linux系統(tǒng)結構的示例分析

這篇文章主要介紹Linux系統(tǒng)結構的示例分析，文中介紹的非常詳細，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

Linux系統(tǒng)一般有4個主要部分：

內(nèi)核、shell、文件系統(tǒng)和應用程序。內(nèi)核、shell和文件系統(tǒng)一起形成了基本的操作系統(tǒng)結構，它們使得用戶可以運行程序、管理文件并使用系統(tǒng)。部分層次結構如圖1-1所示。

一、linux內(nèi)核

內(nèi)核是操作系統(tǒng)的核心，具有很多最基本功能，它負責管理系統(tǒng)的進程、內(nèi)存、設備驅動程序、文件和網(wǎng)絡系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

Linux 內(nèi)核由如下幾部分組成：內(nèi)存管理、進程管理、設備驅動程序、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡管理等。如圖：

圖1

系統(tǒng)調用接口：SCI 層提供了某些機制執(zhí)行從用戶空間到內(nèi)核的函數(shù)調用。這個接口依賴于體系結構，甚至在相同的處理器家族內(nèi)也是如此。SCI 實際上是一個非常有用的函數(shù)調用多路復用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現(xiàn)，并在 ./linux/arch 中找到依賴于體系結構的部分。

1、內(nèi)存管理 

對任何一臺計算機而言，其內(nèi)存以及其它資源都是有限的。為了讓有限的物理內(nèi)存滿足應用程序對內(nèi)存的大需求量，Linux  采用了稱為“虛擬內(nèi)存”的內(nèi)存管理方式。Linux  將內(nèi)存劃分為容易處理的“內(nèi)存頁”（對于大部分體系結構來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內(nèi)存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。

不過內(nèi)存管理要管理的可不止 4KB 緩沖區(qū)。Linux 提供了對 4KB 緩沖區(qū)的抽象，例如 slab 分配器。這種內(nèi)存管理模式使用 4KB 緩沖區(qū)為基數(shù)，然后從中分配結構，并跟蹤內(nèi)存頁使用情況，比如哪些內(nèi)存頁是滿的，哪些頁面沒有完全使用，哪些頁面為空。這樣就允許該模式根據(jù)系統(tǒng)需要來動態(tài)調整內(nèi)存使用。

為了支持多個用戶使用內(nèi)存，有時會出現(xiàn)可用內(nèi)存被消耗光的情況。由于這個原因，頁面可以移出內(nèi)存并放入磁盤中。這個過程稱為交換，因為頁面會被從內(nèi)存交換到硬盤上。內(nèi)存管理的源代碼可以在 ./linux/mm 中找到。

2、進程管理

進程實際是某特定應用程序的一個運行實體。在 Linux  系統(tǒng)中，能夠同時運行多個進程，Linux  通過在短的時間間隔內(nèi)輪流運行這些進程而實現(xiàn)“多任務”。這一短的時間間隔稱為“時間片”，讓進程輪流運行的方法稱為“進程調度” ，完成調度的程序稱為調度程序。

進程調度控制進程對CPU的訪問。當需要選擇下一個進程運行時，由調度程序選擇最值得運行的進程?？蛇\行進程實際上是僅等待CPU資源的進程，如果某個進程在等待其它資源，則該進程是不可運行進程。Linux使用了比較簡單的基于優(yōu)先級的進程調度算法選擇新的進程。

通過多任務機制，每個進程可認為只有自己獨占計算機，從而簡化程序的編寫。每個進程有自己單獨的地址空間，并且只能由這一進程訪問，這樣，操作系統(tǒng)避免了進程之間的互相干擾以及“壞”程序對系統(tǒng)可能造成的危害。 為了完成某特定任務，有時需要綜合兩個程序的功能，例如一個程序輸出文本，而另一個程序對文本進行排序。為此，操作系統(tǒng)還提供進程間的通訊機制來幫助完成這樣的任務。Linux 中常見的進程間通訊機制有信號、管道、共享內(nèi)存、信號量和套接字等。

內(nèi)核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口（API）來創(chuàng)建一個新進程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSⅨ] 函數(shù)），停止進程（kill、exit），并在它們之間進行通信和同步（signal 或者 POSⅨ 機制）。

3、 文件系統(tǒng) 

和 DOS 等操作系統(tǒng)不同，Linux 操作系統(tǒng)中單獨的文件系統(tǒng)并不是由驅動器號或驅動器名稱（如 A:  或 C:  等）來標識的。相反，和 UNIX  操作系統(tǒng)一樣，Linux 操作系統(tǒng)將獨立的文件系統(tǒng)組合成了一個層次化的樹形結構，并且由一個單獨的實體代表這一文件系統(tǒng)。Linux  將新的文件系統(tǒng)通過一個稱為“掛裝”或“掛上”的操作將其掛裝到某個目錄上，從而讓不同的文件系統(tǒng)結合成為一個整體。Linux  操作系統(tǒng)的一個重要特點是它支持許多不同類型的文件系統(tǒng)。Linux 中最普遍使用的文件系統(tǒng)是 Ext2，它也是 Linux  土生土長的文件系統(tǒng)。但 Linux  也能夠支持 FAT、VFAT、FAT32、MINIX 等不同類型的文件系統(tǒng)，從而可以方便地和其它操作系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)。由于 Linux  支持許多不同的文件系統(tǒng)，并且將它們組織成了一個統(tǒng)一的虛擬文件系統(tǒng).

虛擬文件系統(tǒng)（VirtualFileSystem,VFS）:隱藏了各種硬件的具體細節(jié)，把文件系統(tǒng)操作和不同文件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)細節(jié)分離了開來，為所有的設備提供了統(tǒng)一的接口，VFS提供了多達數(shù)十種不同的文件系統(tǒng)。虛擬文件系統(tǒng)可以分為邏輯文件系統(tǒng)和設備驅動程序。邏輯文件系統(tǒng)指Linux所支持的文件系統(tǒng)，如ext2,fat等，設備驅動程序指為每一種硬件控制器所編寫的設備驅動程序模塊。

虛擬文件系統(tǒng)（VFS）是 Linux 內(nèi)核中非常有用的一個方面，因為它為文件系統(tǒng)提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內(nèi)核所支持的文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層。即VFS 在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層。

VFS         在用戶和文件系統(tǒng)之間提供了一個交換層:

在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數(shù)的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統(tǒng)抽象，它定義了上層函數(shù)的實現(xiàn)方式。它們是給定文件系統(tǒng)（超過 50 個）的插件。文件系統(tǒng)的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系統(tǒng)層之下是緩沖區(qū)緩存，它為文件系統(tǒng)層提供了一個通用函數(shù)集（與具體文件系統(tǒng)無關）。這個緩存層通過將數(shù)據(jù)保留一段時間（或者隨即預先讀取數(shù)據(jù)以便在需要是就可用）優(yōu)化了對物理設備的訪問。緩沖區(qū)緩存之下是設備驅動程序，它實現(xiàn)了特定物理設備的接口。

因此，用戶和進程不需要知道文件所在的文件系統(tǒng)類型，而只需要象使用 Ext2  文件系統(tǒng)中的文件一樣使用它們。

4、設備驅動程序 

設備驅動程序是 Linux  內(nèi)核的主要部分。和操作系統(tǒng)的其它部分類似，設備驅動程序運行在高特權級的處理器環(huán)境中，從而可以直接對硬件進行操作，但正因為如此，任何一個設備驅動程序的錯誤都可能導致操作系統(tǒng)的崩潰。設備驅動程序實際控制操作系統(tǒng)和硬件設備之間的交互。

設備驅動程序提供一組操作系統(tǒng)可理解的抽象接口完成和操作系統(tǒng)之間的交互，而與硬件相關的具體操作細節(jié)由設備驅動程序完成。一般而言，設備驅動程序和設備的控制芯片有關，例如，如果計算機硬盤是 SCSI  硬盤，則需要使用 SCSI  驅動程序，而不是 IDE 驅動程序。

5、網(wǎng)絡接口（NET）   

提供了對各種網(wǎng)絡標準的存取和各種網(wǎng)絡硬件的支持。網(wǎng)絡接口可分為網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡驅動程序。網(wǎng)絡協(xié)議部分負責實現(xiàn)每一種可能的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。眾所周知，TCP/IP  協(xié)議是 Internet  的標準協(xié)議，同時也是事實上的工業(yè)標準。

Linux  的網(wǎng)絡實現(xiàn)支持 BSD 套接字，支持全部的TCP/IP協(xié)議。Linux內(nèi)核的網(wǎng)絡部分由BSD套接字、網(wǎng)絡協(xié)議層和網(wǎng)絡設備驅動程序組成。網(wǎng)絡設備驅動程序負責與硬件設備通訊，每一種可能的硬件設備都有相應的設備驅動程序。

二、linux shell

shell是系統(tǒng)的用戶界面，提供了用戶與內(nèi)核進行交互操作的一種接口。它接收用戶輸入的命令并把它送入內(nèi)核去執(zhí)行，是一個命令解釋器。另外，shell編程語言具有普通編程語言的很多特點，用這種編程語言編寫的shell程序與其他應用程序具有同樣的效果。

目前主要有下列版本的shell。

1、Bourne Shell：是貝爾實驗室開發(fā)的。

2、BASH：是GNU的Bourne Again Shell，是GNU操作系統(tǒng)上默認的shell,大部分linux的發(fā)行套件使用的都是這種shell。

3、Korn Shell：是對Bourne SHell的發(fā)展，在大部分內(nèi)容上與Bourne Shell兼容。

4、C Shell：是SUN公司Shell的BSD版本。

三、linux 文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是文件存放在磁盤等存儲設備上的組織方法。Linux系統(tǒng)能支持多種目前流行的文件系統(tǒng)，如EXT2、 EXT3、 FAT、 FAT32、 VFAT和ISO9660。

3.1 文件類型

Linux下面的文件類型主要有：

1) 普通文件：C語言元代碼、SHELL腳本、二進制的可執(zhí)行文件等。分為純文本和二進制。

2) 目錄文件：目錄，存儲文件的唯一地方。

3) 鏈接文件：指向同一個文件或目錄的的文件。

4) 設備文件：與系統(tǒng)外設相關的，通常在/dev下面。分為塊設備和字符設備。

5）管道(FIFO)文件 :  提供進程建通信的一種方式

6）套接字(socket) 文件： 該文件類型與網(wǎng)絡通信有關

可以通過ls –l, file, stat幾個命令來查看文件的類型等相關信息。

3.2  Linux目錄

文件結構是文件存放在磁盤等存貯設備上的組織方法。主要體現(xiàn)在對文件和目錄的組織上。

目錄提供了管理文件的一個方便而有效的途徑。

Linux使用標準的目錄結構，在安裝的時候，安裝程序就已經(jīng)為用戶創(chuàng)建了文件系統(tǒng)和完整而固定的目錄組成形式，并指定了每個目錄的作用和其中的文件類型。

完整的目錄樹可劃分為小的部分，這些小部分又可以單獨存放在自己的磁盤或分區(qū)上。這樣，相對穩(wěn)定的部分和經(jīng)常變化的部分可單獨存放在不同的分區(qū)中，從而方便備份或系統(tǒng)管理。目錄樹的主要部分有 root、/usr、/var、/home  等（圖2） 。這樣的布局可方便在 Linux 計算機之間共享文件系統(tǒng)的某些部分。

圖2

Linux采用的是樹型結構。最上層是根目錄，其他的所有目錄都是從根目錄出發(fā)而生成的。

微軟的DOS和windows也是采用樹型結構，但是在DOS和 windows中這樣的樹型結構的根是磁盤分區(qū)的盤符，有幾個分區(qū)就有幾個樹型結構，他們之間的關系是并列的。最頂部的是不同的磁盤（分區(qū)），如：C，D，E，F(xiàn)等。

但是在linux中，無論操作系統(tǒng)管理幾個磁盤分區(qū)，這樣的目錄樹只有一個。從結構上講，各個磁盤分區(qū)上的樹型目錄不一定是并列的。

3.3 Linux磁盤分區(qū)

一、主分區(qū)，擴展分區(qū)和邏輯分區(qū)：　

linux分區(qū)不同于windows,硬盤和硬盤分區(qū)在Linux都表示為設備.

硬盤分區(qū)一共有三種：主分區(qū)，擴展分區(qū)和邏輯分區(qū)。

硬盤的分區(qū)主要分為主分區(qū)(Primary Partion)和擴展分區(qū)(Extension Partion)兩種，主分區(qū)和擴展分區(qū)的數(shù)目之和不能大于四個。

主分區(qū)(Primary Partion)：可以馬上被使用但不能再分區(qū)。

擴展分區(qū)(Extension Partion)：必須再進行分區(qū)后才能使用，也就是說它必須還要進行二次分區(qū)。

邏輯分區(qū)（(Logical Partion)）：由擴展分區(qū)建立起來的分區(qū)。邏輯分區(qū)沒有數(shù)量上限制。

擴展分區(qū)只不過是邏輯分區(qū)的“容器”，實際上只有主分區(qū)和邏輯分區(qū)進行數(shù)據(jù)存儲。

二、Linux下硬盤分區(qū)的標識

硬盤分區(qū)的標識一般使用/dev/hd[a-z]X或者/dev/sd[a-z]X來標識，其中[a-z]代表硬盤號，X代表硬盤內(nèi)的分區(qū)號。

整塊硬盤分區(qū)的塊號標識:Linux下用hda、hdb、sda、sdb 等來標識不同的硬盤;

其中：

IDE接口硬盤：表示為/dev/hda1、/dev/hdb …；

SCSI 接口的硬盤、SATA接口的硬盤表示為/dev/sda、/dev/sdb … … ；

硬盤內(nèi)的分區(qū)：如果X的值是1到4,表示硬盤的主分區(qū)（包含擴展分區(qū)）；邏輯分區(qū)從是從5開始的，比如/dev/hda5肯定是邏輯分區(qū)了；

例如：

用hda1、hda2、 hda5、hda6 來標識不同的分區(qū)。其中，字母a 代表第一塊硬盤，b代表第二塊硬盤，依次類推。而數(shù)字1 代表一塊硬盤的第一個分區(qū)、2 代表第二個分區(qū)，依次類推。1 到4 對應的是主分區(qū)(Primary Partition)或擴展分區(qū)(Extension Partition)。從5開始，對應的都是硬盤的邏輯分區(qū)(Logical Partition)。一塊硬盤即使只有一個主分區(qū)，邏輯分區(qū)也是從5開始編號的，這點應特別注意。

總結：一個硬盤分區(qū)首先要大確認在哪個硬盤，然后再確認它所在硬盤內(nèi)的哪個分區(qū)。

對于/dev/hda 類似的表示方法，也并不寞生吧；我們在Linux通過fdisk -l 就可以查到硬盤是/dev/hda還是/dev/hdb；

[root@localhost ~]# fdisk -l          　Disk /dev/hda: 80.0 GB, 80026361856 bytes   255 heads, 63 sectors/track, 9729 cylinders   Units = cylinders of 16065 * 512 = 8225280 bytes    Device Boot Start End Blocks Id System   /dev/hda1 * 1 970 7791493+ 7 HPFS/NTFS   /dev/hda2 971 9729 70356667+ 5 Extended   /dev/hda5 971 2915 15623181 b W95 FAT32   /dev/hda6 2916 4131 9767488+ 83 linux   /dev/hda7 4132 5590 11719386 83 linux   /dev/hda8 5591 6806 9767488+ 83 linux   /dev/hda9 6807 9657 22900626 83 linux   /dev/hda10 9658 9729 578308+ 82 linux swap / Solaris

請注意第一行， Disk /dev/hda: 80.0 GB, 80026361856 bytes ，這個就是表示機器中只有一個硬盤設備/dev/hda ，體積大小為 80.0G；下面的就是硬盤的分區(qū)，每個分區(qū)都有詳細的信息，在這里不詳細說了；

Linux下磁盤分區(qū)和目錄的關系如下：

– 任何一個分區(qū)都必須掛載到某個目錄上。

– 目錄是邏輯上的區(qū)分。分區(qū)是物理上的區(qū)分。

– 磁盤Linux分區(qū)都必須掛載到目錄樹中的某個具體的目錄上才能進行讀寫操作。

– 根目錄是所有Linux的文件和目錄所在的地方，需要掛載上一個磁盤分區(qū)。

3.4 linux主要目錄的功用。

/bin 二進制可執(zhí)行命令      /dev 設備特殊文件   /etc 系統(tǒng)管理和配置文件   /etc/rc.d 啟動的配置文件和腳本   /home 用戶主目錄的基點，比如用戶user的主目錄就是/home/user，可以用~user表示   /lib 標準程序設計庫，又叫動態(tài)鏈接共享庫，作用類似windows里的.dll文件   /sbin 系統(tǒng)管理命令，這里存放的是系統(tǒng)管理員使用的管理程序   /tmp 公用的臨時文件存儲點   /root 系統(tǒng)管理員的主目錄（呵呵，特權階級）   /mnt 系統(tǒng)提供這個目錄是讓用戶臨時掛載其他的文件系統(tǒng)。  /lost+found 這個目錄平時是空的，系統(tǒng)非正常關機而留下“無家可歸”的文件（windows下叫什么.chk）就在這里   /proc 虛擬的目錄，是系統(tǒng)內(nèi)存的映射。可直接訪問這個目錄來獲取系統(tǒng)信息。  /var 某些大文件的溢出區(qū)，比方說各種服務的日志文件   /usr 最龐大的目錄，要用到的應用程序和文件幾乎都在這個目錄。其中包含：        /usr/X11R6 存放X window的目錄         /usr/bin 眾多的應用程序         /usr/sbin 超級用戶的一些管理程序         /usr/doc linux文檔         /usr/include linux下開發(fā)和編譯應用程序所需要的頭文件         /usr/lib 常用的動態(tài)鏈接庫和軟件包的配置文件         /usr/man 幫助文檔         /usr/src 源代碼，linux內(nèi)核的源代碼就放在/usr/src/linux里         /usr/local/bin 本地增加的命令         /usr/local/lib 本地增加的庫

3.5  linux文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)指文件存在的物理空間，linux系統(tǒng)中每個分區(qū)都是一個文件系統(tǒng)，都有自己的目錄層次結構。linux會將這些分屬不同分區(qū)的、單獨的文件系統(tǒng)按一定的方式形成一個系統(tǒng)的總的目錄層次結構。一個操作系統(tǒng)的運行離不開對文件的操作，因此必然要擁有并維護自己的文件系統(tǒng)。

1、文件系統(tǒng)類型：

ext2 ： 早期linux中常用的文件系統(tǒng)

ext3 ： ext2的升級版，帶日志功能

RAMFS ： 內(nèi)存文件系統(tǒng)，速度很快

NFS ： 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)，由SUN發(fā)明，主要用于遠程文件共享

MS-DOS ： MS-DOS文件系統(tǒng)

VFAT ： Windows 95/98 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)

FAT ： Windows XP 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)

NTFS： Windows NT/XP 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)

HPFS ： OS/2 操作系統(tǒng)采用的文件系統(tǒng)

PROC : 虛擬的進程文件系統(tǒng)

ISO9660 ： 大部分光盤所采用的文件系統(tǒng)

ufsSun : OS 所采用的文件系統(tǒng)

NCPFS ： Novell 服務器所采用的文件系統(tǒng)

SMBFS ： Samba 的共享文件系統(tǒng)

XFS ： 由SGI開發(fā)的先進的日志文件系統(tǒng)，支持超大容量文件

JFS ：IBM的AIX使用的日志文件系統(tǒng)

ReiserFS : 基于平衡樹結構的文件系統(tǒng)

udf: 可擦寫的數(shù)據(jù)光盤文件系統(tǒng)

2、文件系統(tǒng)特性：

磁盤分區(qū)完畢后還需要進行格式化(format)，之后操作系統(tǒng)才能夠使用這個分區(qū)。格式化的目的是能使操作系統(tǒng)可以使用的文件系統(tǒng)格式（即我們上面提到文件系統(tǒng)類型）.

每種操作系統(tǒng)能夠使用的文件系統(tǒng)并不相同. 如windows 98 以前的微軟操作系統(tǒng)主要利用的文件系統(tǒng)是 FAT (或 FAT16)，windows 2000 以后的版本有所謂的 NTFS 文件系統(tǒng)，至于 Linux 的正統(tǒng)文件系統(tǒng)則為 Ext2 (Linux second extended file system, ext2fs)這一個。此外，在默認的情況下，windows 操作系統(tǒng)是不會認識 Linux 的 Ext2 的。

傳統(tǒng)的磁盤與文件系統(tǒng)之應用中，一個分區(qū)就是只能夠被格式化成為一個文件系統(tǒng)，所以我們可以說一個 filesystem 就是一個 partition。但是由于新技術的利用，例如我們常聽到的LVM與軟件磁盤陣列(software raid)， 這些技術可以將一個分區(qū)格式化為多個文件系統(tǒng)(例如LVM)，也能夠將多個分區(qū)合成一個文件系統(tǒng)(LVM, RAID)！所以說，目前我們在格式化時已經(jīng)不再說成針對 partition 來格式化了， 通常我們可以稱呼一個可被掛載的數(shù)據(jù)為一個文件系統(tǒng)而不是一個分區(qū)喔！

那么文件系統(tǒng)是如何運行的呢？這與操作系統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)有關。較新的操作系統(tǒng)的文件數(shù)據(jù)除了文件實際內(nèi)容外， 通常含有非常多的屬性，例如 Linux 操作系統(tǒng)的文件權限(rwx)與文件屬性(擁有者、群組、時間參數(shù)等)。 文件系統(tǒng)通常會將這兩部份的數(shù)據(jù)分別存放在不同的區(qū)塊，權限與屬性放置到 inode 中，至于實際數(shù)據(jù)則放置到 data block 區(qū)塊中。另外，還有一個超級區(qū)塊 (superblock) 會記錄整個文件系統(tǒng)的整體信息，包括 inode 與 block 的總量、使用量、剩余量等。

對于一個磁盤分區(qū)來說，在被指定為相應的文件系統(tǒng)后，整個分區(qū)被分為 1024，2048 和 4096 字節(jié)大小的塊。根據(jù)塊使用的不同，可分為：

1、超級塊(Superblock): 這是整個文件系統(tǒng)的第一塊空間。包括整個文件系統(tǒng)的基本信息，如塊大小，inode/block的總量、使用量、剩余量，指向空間 inode 和數(shù)據(jù)塊的指針等相關信息。

2、inode塊(文件索引節(jié)點) : 文件系統(tǒng)索引,記錄文件的屬性。它是文件系統(tǒng)的最基本單元，是文件系統(tǒng)連接任何子目錄、任何文件的橋梁。每個子目錄和文件只有唯一的一個 inode 塊。它包含了文件系統(tǒng)中文件的基本屬性(文件的長度、創(chuàng)建及修改時間、權限、所屬關系)、存放數(shù)據(jù)的位置等相關信息. 在 Linux 下可以通過 “l(fā)s -li” 命令查看文件的 inode 信息。硬連接和源文件具有相同的 inode 。

3、數(shù)據(jù)塊(Block) :實際記錄文件的內(nèi)容，若文件太大時，會占用多個 block。為了提高目錄訪問效率，Linux 還提供了表達路徑與 inode 對應關系的 dentry 結構。它描述了路徑信息并連接到節(jié)點 inode，它包括各種目錄信息，還指向了 inode 和超級塊。

就像一本書有封面、目錄和正文一樣。在文件系統(tǒng)中，超級塊就相當于封面，從封面可以得知這本書的基本信息；inode 塊相當于目錄，從目錄可以得知各章節(jié)內(nèi)容的位置；而數(shù)據(jù)塊則相當于書的正文，記錄著具體內(nèi)容。

Linux正統(tǒng)的文件系統(tǒng)(如ext2、3等)將硬盤分區(qū)時會劃分出超級塊、inode Table區(qū)塊和data block數(shù)據(jù)區(qū)域。一個文件由一個超級塊、inode和數(shù)據(jù)區(qū)域塊組成。Inode包含文件的屬性(如讀寫屬性、owner等，以及指向數(shù)據(jù)塊的指針)，數(shù)據(jù)區(qū)域塊則是文件內(nèi)容。當查看某個文件時，會先從inode table中查出文件屬性及數(shù)據(jù)存放點，再從數(shù)據(jù)塊中讀取數(shù)據(jù)。

ext2文件系統(tǒng)示意圖

我們將 inode 與 block 區(qū)塊用圖解來說明一下，如下圖所示，文件系統(tǒng)先格式化出 inode 與 block 的區(qū)塊，假設某一個文件的屬性與權限數(shù)據(jù)是放置到 inode 4 號(下圖較小方格內(nèi))，而這個 inode 記錄了文件數(shù)據(jù)的實際放置點為 2, 7, 13, 15 這四個 block 號碼，此時我們的操作系統(tǒng)就能夠據(jù)此來排列磁盤的閱讀順序，可以一口氣將四個 block 內(nèi)容讀出來！那么數(shù)據(jù)的讀取就如同下圖中的箭頭所指定的模樣了。

圖 inode/block 數(shù)據(jù)存取示意圖

這種數(shù)據(jù)存取的方法我們稱為索引式文件系統(tǒng)(indexed allocation)。那有沒有其他的慣用文件系統(tǒng)可以比較一下啊？有的，那就是我們慣用的閃盤(閃存)，閃盤使用的文件系統(tǒng)一般為 FAT 格式。FAT 這種格式的文件系統(tǒng)并沒有 inode 存在，所以 FAT 沒有辦法將這個文件的所有 block 在一開始就讀取出來。每個 block 號碼都記錄在前一個 block 當中， 其讀取方式有點像下圖所示:

圖、FAT文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)存取示意圖

上圖中我們假設文件的數(shù)據(jù)依序寫入1->7->4->15號這四個 block 號碼中， 但這個文件系統(tǒng)沒有辦法一口氣就知道四個 block 的號碼，他得要一個一個的將 block 讀出后，才會知道下一個 block 在何處。如果同一個文件數(shù)據(jù)寫入的 block 分散的太過厲害時，則我們的磁盤讀取頭將無法在磁盤轉一圈就讀到所有的數(shù)據(jù)， 因此磁盤就會多轉好幾圈才能完整的讀取到這個文件的內(nèi)容！

常常會聽到所謂的“碎片整理”吧？ 需要碎片整理的原因就是文件寫入的 block 太過于離散了，此時文件讀取的效能將會變的很差所致。 這個時候可以透過碎片整理將同一個文件所屬的 blocks 匯整在一起，這樣數(shù)據(jù)的讀取會比較容易?。?想當然爾，F(xiàn)AT 的文件系統(tǒng)需要經(jīng)常的碎片整理一下，那么 Ext2 是否需要磁盤重整呢？

由于 Ext2 是索引式文件系統(tǒng)，基本上不太需要常常進行碎片整理的。但是如果文件系統(tǒng)使用太久， 常常刪除/編輯/新增文件時，那么還是可能會造成文件數(shù)據(jù)太過于離散的問題，此時或許會需要進行重整一下的。不過，老實說，鳥哥倒是沒有在 Linux 操作系統(tǒng)上面進行過 Ext2/Ext3 文件系統(tǒng)的碎片整理說！似乎不太需要啦！^_^

可以用ln命令對一個已經(jīng)存在的文件再建立一個新的連接，而不復制文件的內(nèi)容。連接有軟連接和硬連接之分，軟連接又叫符號連接。它們各自的特點是：

硬連接：原文件名和連接文件名都指向相同的物理地址。目錄不能有硬連接；硬連接不能跨越文件系統(tǒng)（不能跨越不同的分區(qū)）文件在磁盤中只有一個拷貝，節(jié)省硬盤空間；

由于刪除文件要在同一個索引節(jié)點屬于唯一的連接時才能成功，因此可以防止不必要的誤刪除。

符號連接：用ln -s命令建立文件的符號連接符號連接是linux特殊文件的一種，作為一個文件，它的數(shù)據(jù)是它所連接的文件的路徑名。類似windows下的快捷方式。

可以刪除原有的文件而保存連接文件，沒有防止誤刪除功能。

這一段的的內(nèi)容過于抽象，又是節(jié)點又是數(shù)組的，我已經(jīng)盡量通俗再通俗了，又不好加例子作演示。大家如果還是云里霧里的話，我也沒有什么辦法了，只有先記住，日后在實際應用中慢慢體會、理解了。這也是我學習的一個方法吧。

3.6 文件系統(tǒng)在內(nèi)核中的表示

內(nèi)核數(shù)據(jù)結構

Linux內(nèi)核的VFS子系統(tǒng)可以圖示如下：

文件與IO: 每個進程在PCB（Process Control Block）中都保存著一份文件描述符表，文件描述符就是這個表的索引，每個表項都有一個指向已打開文件的指針，現(xiàn)在我們明確一下：已打開的文件在內(nèi)核中用file結構體表示，文件描述符表中的指針指向file結構體。

在file結構體中維護File Status Flag（file結構體的成員f_flags）和當前讀寫位置（file結構體的成員f_pos）。在上圖中，進程1和進程2都打開同一文件，但是對應不同的file結構體，因此可以有不同的File Status Flag和讀寫位置。file結構體中比較重要的成員還有f_count，表示引用計數(shù)（Reference Count），后面我們會講到，dup、fork等系統(tǒng)調用會導致多個文件描述符指向同一個file結構體，例如有fd1和fd2都引用同一個file結構體，那么它的引用計數(shù)就是2，當close(fd1)時并不會釋放file結構體，而只是把引用計數(shù)減到1，如果再close(fd2)，引用計數(shù)就會減到0同時釋放file結構體，這才真的關閉了文件。

每個file結構體都指向一個file_operations結構體，這個結構體的成員都是函數(shù)指針，指向實現(xiàn)各種文件操作的內(nèi)核函數(shù)。比如在用戶程序中read一個文件描述符，read通過系統(tǒng)調用進入內(nèi)核，然后找到這個文件描述符所指向的file結構體，找到file結構體所指向的file_operations結構體，調用它的read成員所指向的內(nèi)核函數(shù)以完成用戶請求。在用戶程序中調用lseek、read、write、ioctl、open等函數(shù)，最終都由內(nèi)核調用file_operations的各成員所指向的內(nèi)核函數(shù)完成用戶請求。

file_operations結構體中的release成員用于完成用戶程序的close請求，之所以叫release而不叫close是因為它不一定真的關閉文件，而是減少引用計數(shù)，只有引用計數(shù)減到0才關閉文件。對于同一個文件系統(tǒng)上打開的常規(guī)文件來說，read、write等文件操作的步驟和方法應該是一樣的，調用的函數(shù)應該是相同的，所以圖中的三個打開文件的file結構體指向同一個file_operations結構體。如果打開一個字符設備文件，那么它的read、write操作肯定和常規(guī)文件不一樣，不是讀寫磁盤的數(shù)據(jù)塊而是讀寫硬件設備，所以file結構體應該指向不同的file_operations結構體，其中的各種文件操作函數(shù)由該設備的驅動程序實現(xiàn)。

每個file結構體都有一個指向dentry結構體的指針，“dentry”是directory entry（目錄項）的縮寫。我們傳給open、stat等函數(shù)的參數(shù)的是一個路徑，例如/home/akaedu/a，需要根據(jù)路徑找到文件的inode。為了減少讀盤次數(shù)，內(nèi)核緩存了目錄的樹狀結構，稱為dentry cache，其中每個節(jié)點是一個dentry結構體，只要沿著路徑各部分的dentry搜索即可，從根目錄/找到home目錄，然后找到akaedu目錄，然后找到文件a。dentry cache只保存最近訪問過的目錄項，如果要找的目錄項在cache中沒有，就要從磁盤讀到內(nèi)存中。

每個dentry結構體都有一個指針指向inode結構體。inode結構體保存著從磁盤inode讀上來的信息。在上圖的例子中，有兩個dentry，分別表示/home/akaedu/a和/home/akaedu/b，它們都指向同一個inode，說明這兩個文件互為硬鏈接。inode結構體中保存著從磁盤分區(qū)的inode讀上來信息，例如所有者、文件大小、文件類型和權限位等。每個inode結構體都有一個指向inode_operations結構體的指針，后者也是一組函數(shù)指針指向一些完成文件目錄操作的內(nèi)核函數(shù)。

和file_operations不同，inode_operations所指向的不是針對某一個文件進行操作的函數(shù)，而是影響文件和目錄布局的函數(shù)，例如添加刪除文件和目錄、跟蹤符號鏈接等等，屬于同一文件系統(tǒng)的各inode結構體可以指向同一個inode_operations結構體。

inode結構體有一個指向super_block結構體的指針。super_block結構體保存著從磁盤分區(qū)的超級塊讀上來的信息，例如文件系統(tǒng)類型、塊大小等。super_block結構體的s_root成員是一個指向dentry的指針，表示這個文件系統(tǒng)的根目錄被mount到哪里，在上圖的例子中這個分區(qū)被mount到/home目錄下。

file、dentry、inode、super_block這幾個結構體組成了VFS的核心概念。對于ext2文件系統(tǒng)來說，在磁盤存儲布局上也有inode和超級塊的概念，所以很容易和VFS中的概念建立對應關系。而另外一些文件系統(tǒng)格式來自非UNIX系統(tǒng)（例如Windows的FAT32、NTFS），可能沒有inode或超級塊這樣的概念，但為了能mount到Linux系統(tǒng)，也只好在驅動程序中硬湊一下，在Linux下看FAT32和NTFS分區(qū)會發(fā)現(xiàn)權限位是錯的，所有文件都是rwxrwxrwx，因為它們本來就沒有inode和權限位的概念，這是硬湊出來的。

3.6  掛載文件系統(tǒng)

linux系統(tǒng)中每個分區(qū)都是一個文件系統(tǒng)，都有自己的目錄層次結構。linux會將這些分屬不同分區(qū)的、單獨的文件系統(tǒng)按一定的方式形成一個系統(tǒng)的總的目錄層次結構。這里所說的“按一定方式”就是指的掛載。

將一個文件系統(tǒng)的頂層目錄掛到另一個文件系統(tǒng)的子目錄上，使它們成為一個整體，稱為掛載。把該子目錄稱為掛載點.

例如要讀取硬盤中的一個格式化好的分區(qū)、光盤或軟件等設備時，必須先把這些設備對應到某個目錄上，而這個目錄就稱為“掛載點（mount point）”，這樣才可以讀取這些設備。掛載后將物理分區(qū)細節(jié)屏蔽掉，用戶只有統(tǒng)一的邏輯概念。所有的東西都是文件。

注意：1、掛載點必須是一個目錄。

2、一個分區(qū)掛載在一個已存在的目錄上，這個目錄可以不為空，但掛載后這個目錄下以前的內(nèi)容將不可用。

對于其他操作系統(tǒng)建立的文件系統(tǒng)的掛載也是這樣。但是需要理解的是：光盤、軟盤、其他操作系統(tǒng)使用的文件系統(tǒng)的格式與linux使用的文件系統(tǒng)格式是不一樣的。光盤是ISO9660；軟盤是fat16或ext2；windows NT是fat16、NTFS；windows98是fat16、fat32；windows2000和windowsXP是fat16、fat32、 NTFS。掛載前要了解linux是否支持所要掛載的文件系統(tǒng)格式。

掛載時使用mount命令，其格式：mount [-參數(shù)] [設備名稱] [掛載點]

其中常用的參數(shù)有

-t 指定設備的文件系統(tǒng)類型（什么提到的文件類型）

-o 指定掛載文件系統(tǒng)時的選項。有些也可用在/etc/fstab中。常用的有

codepage=XXX 代碼頁    iocharset=XXX 字符集   ro 以只讀方式掛載   rw 以讀寫方式掛載   nouser 使一般用戶無法掛載   user 可以讓一般用戶掛載設備

例如：

1、掛載windows的文件系統(tǒng)：

1）首先我們使用sudo fdisk -l查看掛載的設備，例如最下面有：/dev/hda5

2）mkdir創(chuàng)建一個目錄，這里的目錄是作為掛在目錄，就是你要把E盤掛到這個目錄下：mk /mnt/winc

3）windows和linux使用的不是一個文件系統(tǒng)，一般情況下linux不掛載windows文件系統(tǒng)，所以要你手動mount：

# mount -t vfat /dev/hda5 /mnt/winc  （ -t vfat指出這里的文件系統(tǒng)fat32）

現(xiàn)在就可以進入/mnt/winc等目錄讀寫這些文件了。

2、掛載光盤：# mk /mnt/cdrom

# mount -t iso9660 /dev/cdrom /mnt/cdrom (關盤的名字一般都是cdrom，這條命令一般都通用)

3、虛擬機共享文件夾：例如在VirtualBox下，主機是Windows，Ubuntu是Guest。共分三步：

1). 首先要安裝虛擬電腦工具包：在VirtualBox的菜單里選擇”設備”->”安裝虛擬電腦工具包”，你會發(fā)現(xiàn)在Ubuntu桌面上多出一個光盤圖標，這張光盤默認被自動加載到了文件夾/media/cdom0，而且/cdrom自動指向這個文件夾。默認設置下文件管理器會自動打開這張光盤，可以看到里面有個”VBoxLinuxAdditions.run”文件。打開一個命令行終端，依次輸入”cd /cdrom”和”sudo sh ./VBoxLinuxAdditions.run”，不含雙引號，開始安裝工具包。安裝完畢，會用英文提示要重啟Ubuntu，建議立刻重啟。重啟后，比較明顯的變化是鼠標是共享模式，并且剪貼板也和Windows共享了。如果有這些變化，說明虛擬電腦工具包已經(jīng)裝成功。

2). 下一步設置共享文件夾。

在共享文件夾設置窗口中，單擊右側的”添加一個共享文件夾”，路徑選擇你想要共享的Windows文件夾，共享名任取一個自己喜歡的，比如”myshare”，選項read-only是指是否只允許ubuntu讀這個文件夾，請根據(jù)需要選擇這個選項。

3). 在ubuntu下掛載這個共享文件夾:sudo mount -t vboxsf myshare /media/share

其中”myshare”是之前取的共享文件夾的名字，”/media/share”是要掛載到的目標文件.

3.7  自動掛載windows分區(qū)

每次開機訪問windows分區(qū)都要運行mount命令顯然太煩瑣，為什么訪問其他的linux分區(qū)不用使用mount命令呢？

其實，每次開機時，linux自動將需要掛載的linux分區(qū)掛載上了。那么我們是不是可以設定讓linux在啟動的時候也掛載我們希望掛載的分區(qū)，如windows分區(qū)，以實現(xiàn)文件系統(tǒng)的自動掛載呢？

這是完全可以的。在/etc目錄下有個fstab文件，它里面列出了linux開機時自動掛載的文件系統(tǒng)的列表。我的/etc/fstab文件如下：

/dev/hda2 / ext3 defaults 1 1         　/dev/hda1 /boot ext3 defaults 1 2   　   　none /dev/pts devpts gid=5,mode=620 0 0        　none /proc proc defaults 0 0      　  　none /dev/shm tmpfs defaults 0 0         　/dev/hda3 swap swap defaults 0 0         　/dev/cdrom /mnt/cdrom iso9660 noauto,codepage=936,iocharset=gb2312 0 0         　/dev/fd0 /mnt/floppy auto noauto,owner,kudzu 0 0         　/dev/hdb1 /mnt/winc vfat defaults,codepage=936,iocharset=cp936 0 0         　/dev/hda5 /mnt/wind vfat defaults,codepage=936,iocharset=cp936 0 0

在/etc/fstab文件里，第一列是掛載的文件系統(tǒng)的設備名，第二列是掛載點，第三列是掛載的文件系統(tǒng)類型，第四列是掛載的選項，選項間用逗號分隔。第五六列不知道是什么意思，還望高手指點。

在最后兩行是我手工添加的windows下的C；D盤，加了codepage=936和iocharset=cp936參數(shù)以支持中文文件名。參數(shù)defaults實際上包含了一組默認參數(shù)：

rw 以可讀寫模式掛載

suid 開啟用戶ID和群組ID設置位

dev 可解讀文件系統(tǒng)上的字符或區(qū)塊設備

exec 可執(zhí)行二進制文件

auto 自動掛載

nouser 使一般用戶無法掛載

async 以非同步方式執(zhí)行文件系統(tǒng)的輸入輸出操作

大家可以看到在這個列表里，光驅和軟驅是不自動掛載的，參數(shù)設置為noauto。（如果你非要設成自動掛載，你要確保每次開機時你的光驅和軟驅里都要有盤，呵呵。)

3.8 .軟連接、硬鏈接

可以用ln命令對一個已經(jīng)存在的文件再建立一個新的連接，而不復制文件的內(nèi)容。連接有軟連接和硬連接之分，軟連接又叫符號連接。它們各自的特點是：

硬連接：是給文件一個副本，原文件名和連接文件名都指向相同的物理地址。目錄不能有硬連接；硬連接不能跨越文件系統(tǒng)（不能跨越不同的分區(qū)）文件在磁盤中只有一個拷貝，節(jié)省硬盤空間；

修改其中一個，與其連接的文件同時被修改。如果刪除其中任意一個其余的文件將不受影響。

由于刪除文件要在同一個索引節(jié)點屬于唯一的連接時才能成功，因此可以防止不必要的誤刪除。

符號連接（軟連接）：用ln -s命令建立文件的符號連接符號連接是linux特殊文件的一種，作為一個文件，它的數(shù)據(jù)是它所連接的文件的路徑名。類似windows下的快捷方式。

當然刪除這個連接，也不會影響到源文件，但對連接文件的使用、引用都是直接調用源文件的。

具體關系可以看下圖：

圖5：軟鏈接和硬鏈接

從圖上可以看出硬鏈接和軟鏈接的區(qū)別：

  1：硬鏈接原文件和新文件的inode編號一致。而軟鏈接不一樣。

  2：對原文件刪除，會導致軟鏈接不可用，而硬鏈接不受影響。

  3：對原文件的修改，軟、硬鏈接文件內(nèi)容也一樣的修改，因為都是指向同一個文件內(nèi)容的。

3.9.文件目錄管理命令

磁盤和文件空間 ：fdisk df du

文件目錄與管理：cd pwd mkdir rmdir ls cp rm mv

查看文件內(nèi)容 cat、tac、more、less、head 、tail

文件目錄與權限 ：chmod chown chgrp umask

文件查找：which、whereis、locate、find、find

4、linux 應用

標準的Linux系統(tǒng)一般都有一套都有稱為應用程序的程序集，它包括文本編輯器、編程語言、X Window、辦公套件、Internet工具和數(shù)據(jù)庫等。

5、linux內(nèi)核參數(shù)優(yōu)化

內(nèi)核參數(shù)是用戶和系統(tǒng)內(nèi)核之間交互的一個接口，通過這個接口，用戶可以在系統(tǒng)運行的同時動態(tài)更新內(nèi)核配置，而這些內(nèi)核參數(shù)是通過Linux Proc文件系統(tǒng)存在的。因此，可以通過調整Proc文件系統(tǒng)達到優(yōu)化Linux性能的目的。

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