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linux文件系統基礎知識

日期:2017/2/7 16:55:52      編輯:Linux教程

        1、linux文件系統分配策略:
        塊分配( block allocation ) 和 擴展分配  ( extent allocation )

        塊分配:磁盤上的文件塊根據需要分配給文件,避免了存儲空間的浪費。但當文件擴充時,會造成文件中文件塊的不連續,從而導致過多的磁盤尋道時間。

        每一次文件擴展時,塊分配算法就需要寫入文件塊的結構信息,也就是 meta-dada 。meta-data總是與文件一起寫入存儲設備,改變文件的操作要等到所有meta-data的操作都完成後才能進行, 因此,meta-data的操作會明顯降低整個文件系統的性能。

        擴展分配: 文件創建時,一次性分配一連串連續的塊,當文件擴展時,也一次分配很多塊。meta-data在文件創建時寫入,當文件大小沒有超過所有已分配文件塊大小時,就不用寫入meta-data,直到需要再分配文件塊的時候。

        擴展分配采用成組分配塊的方式,減少了SCSI設備寫數據的時間,在讀取順序文件時具有良好的性能,但隨機讀取文件時,就和塊分配類似了。

        文件塊的組或塊簇 ( block cluster) 的大小是在編譯時確定的。簇的大小對文件系統的性能有很大的影響。

        注: meta-data 元信息:和文件有關的信息,比如權限、所有者以及創建、訪問或更改時間等。
        2、文件的記錄形式

        linux文家系統使用索引節點(inode)來記錄文件信息。索引節點是一種數據結構,它包含了一個文件的長度、創建及修改時間、權限、所屬關系、磁盤中的位置等信息。

        一個文件系統維護了一個索引節點的數組,每個文件或目錄都與索引節點數組中的唯一的元素對應。每個索引節點在數組中的索引號,稱為索引節點號。

        linux文件系統將文件索引節點號和文件名同時保存在目錄中,所以,目錄只是將文件的名稱和它的索引節點號結合在一起的一張表,目錄中每一對文件名稱和索引節點號稱為一個連接。
對於一個文件來說,有一個索引節點號與之對應;而對於一個索引節點號,卻可以對應多個文件名。

        連接分為軟連接和硬連接,其中軟連接又叫符號連接。

         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;硬連接不能跨文件系統(不能跨越不同的分區),文件在磁盤中只有一個拷貝。
            由於刪除文件要在同一個索引節點屬於唯一的連接時才能成功,因此硬連接可以防止不必要的誤刪除。

        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,它的數據是它所連接的文件的路徑名。沒有防止誤刪除的功能。

        3、文件系統類型:
   
    ext2 : 早期linux中常用的文件系統
    ext3 : ext2的升級版,帶日志功能
    RAMFS : 內存文件系統,速度很快
    NFS : 網絡文件系統,由SUN發明,主要用於遠程文件共享
    MS-DOS : MS-DOS文件系統
    VFAT : Windows 95/98 操作系統采用的文件系統
    FAT : Windows XP 操作系統采用的文件系統
    NTFS : Windows NT/XP 操作系統采用的文件系統
    HPFS : OS/2 操作系統采用的文件系統
    PROC : 虛擬的進程文件系統
    ISO9660 : 大部分光盤所采用的文件系統
    ufsSun : OS 所采用的文件系統
    NCPFS : Novell 服務器所采用的文件系統
    SMBFS : Samba 的共享文件系統
    XFS : 由SGI開發的先進的日志文件系統,支持超大容量文件
    JFS :IBM的AIX使用的日志文件系統
    ReiserFS : 基於平衡樹結構的文件系統
    udf: 可擦寫的數據光盤文件系統
        4、虛擬文件系統VFS
   
        linux支持的所有文件系統稱為邏輯文件系統,而linux在傳統的邏輯文件系統的基礎上增加料一個蓄念文件系統( Vitual File System ,VFS) 的接口層。

        虛擬文件系統(VFS) 位於文件系統的最上層,管理各種邏輯文件系統,並可以屏蔽各種邏輯文件系統之間的差異,提供統一文件和設備的訪問接口。
        5、文件的邏輯結構

        文件的邏輯結構可分為兩大類: 字節流式的無結構文件 和 記錄式的有結構文件。

        由字節流(字節序列)組成的文件是一種無結構文件或流式文件 ,不考慮文件內部的邏輯結構,只是簡單地看作是一系列字節的序列,便於在文件的任意位置添加內容。

        由記錄組成的文件稱為記錄式文件 ,記錄是這種文件類型的基本信息單位,記錄式文件通用於信息管理。
        6、文件類型
   
        普通文件 : 通常是流式文件
        目錄文件 : 用於表示和管理系統中的全部文件
        連接文件 : 用於不同目錄下文件的共享
        設備文件 : 包括塊設備文件和字符設備文件,塊設備文件表示磁盤文件、光盤等,字符設備文件按照字符操作終端、鍵盤等設備。
        管道(FIFO)文件 :  提供進程建通信的一種方式
        套接字(socket) 文件: 該文件類型與網絡通信有關
        7、文件結構: 包括索引節點和數據
        索引節點 : 又稱 I 節點,在文件系統結構中,包含有關相應文件的信息的一個記錄,這些信息包括文件權限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系統中所有文件的索引節點保存在索引節點表中。
    數據  : 文件的實際內容。可以是空的,也可以非常大,並且擁有自己的結構。
        8、ext2文件系統
   
        ext2文件系統的數據塊大小一般為 1024B、2048B 或 4096B
        ext2文件系統采用的索引節點(inode):

        索引節點采用了多重索引結構,主要體現在直接指針和3個間接指針。直接指針包含12個直接指針塊,它們直接指向包含文件數據的數據塊,緊接在後面的3個間接指針是為了適應文件的大小變化而設計的。

        e.g: 假設數據塊大小為1024B ,利用12個直接指針,可以保存最大為12KB的文件,當文件超過12KB時,則要利用單級間接指針,該指針指向的數據塊保存有一組數據塊指針,這些指針依次指向包含有實際數據的數據塊.

        假如每個指針占用4B,則每個單級指針數據塊可保存 1024/4=256 個數據指針,因此利用直接指針和單級間接指針可保存 1024*12+1024*256=268 KB的文件。當文件超過268KB時,再利用二級間接指針,直到使用三級間接指針。
        利用直接指針、單級間接指針、二級間接指針、三級間接指針可保存的最大文件大小為:

        1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256=16843020 KB,約 16GB

        若數據塊大小為2048B,指針占4B,則最大文件大小為:

2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512=268,960,792 KB 約 268GB
        若數據塊大小為4096B,指針占4B,則最大文件大小為:

4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024=4,299,165,744 KB ,約 4TB
        注: 命令 tune2fs -l /dev/sda5  可查看文件系統
        ext2文件系統最大文件名長度: 255個字符
   
        ext2文件系統的缺點:

        ext2在寫入文件內容的同時並沒有同時寫入文件meta-data,    其工作順序是先寫入文件的內容,然後等空閒時候才寫入文件的meta-data。若發生意外,則文件系統就會處於不一致狀態。

        在重新啟動系統的時候,linux會啟動 fsk ( file system check) 的程序,掃描整個文件系統並試圖修復,但不提供保證。
9、ext3文件系統:
   
        ext3基於ext2的代碼,所以磁盤格式與ext2相同,使用相同的元數據。
        ext2文件系統無損轉化為ext3文件系統:  tune2fs  -j /dev/sda6
   
        日志塊設備( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系統日志功能。JBD不是ext3文件系統所特有的,它的設計目標是為了向一個塊設備添加日志功能。

        當一個文件修改執行時,ext3文件系統代碼將通知JBD,稱為一個事務(transaction)。發生意外時,日志功能具有的重放功能,能重新執行中斷的事務。
   
        日志中的3種數據模式:

        1)、data=writeback :不處理任何形式的日志數據,給用戶整體上的最高性能

        2)、data=odered :只記錄元數據日志,但將元數據和數據組成一個單元稱為事務(transaction) 。此模式保持所句句的可靠性與文件系統的一致性,性能遠低於data=writeback模式,但比data=journal模式快

        3)、data=journal :提供完整的數據及元數據日志,所有新數據首先被寫入日志,然後才被定位。意外發生過後,日志可以被重放,將數據與元數據帶回一致狀態。這種模式整體性能最慢,但數據需要從磁盤讀取和寫入磁盤時卻是3種模式中最快的。

        ext3文件系統最大文件名長度: 255個字符

        ext3文件系統的優點:可用性、數據完整性、速度、兼容性
10、ReiserFS文件系統
   
        ReiserFS文件系統是由Hans Reiser和他領導的開發小組共同開發的,整個文件系統完全是從頭設計的,是一個非常優秀的文件系統。也是最早用於Linux的日志文件系統之一。
        ReiserFS的特點

        先進的日志機制

        ReiserFS有先進的日志(Journaling/logging)功能 機制。日志機制保證了在每個實際數據修改之前,相應的日志已經寫入硬盤。文件與數據的安全性有了很大提高。
     高效的磁盤空間利用
        Reiserfs對一些小文件不分配inode。而是將這些文件打包,存放在同一個磁盤分塊中。而其它文件系統則為每個小文件分別放置到一個磁盤分塊中。
     獨特的搜尋方式
         ReiserFS基於快速平衡樹(balanced tree)搜索,平衡樹在性能上非常卓越,這是一種非常高效的算法。ReiserFS搜索大量文件時,搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件系統使用B*Tree存儲文件,而其它文件系統使用B+Tree樹。B*Tree查詢速度比B+Tree要快很多。Reiserfs在文件定位上速度非常快。

        在實際運用中,ReiserFS 在處理小於 4k 的文件時,比ext2 快 5 倍;帶尾文件壓縮功能(默認)的ReiserFS 比ext2文件系統多存儲6%的數據。
        支持海量磁盤

        ReiserFS是一個非常優秀的文件系統,一直被用在高端UNIX系統上,可輕松管理上百G的文件系統,ReiserFS文件系統最大支持的文件系統尺寸為16TB。這非常適合企業級應用中。
        優異的性能

        由於它的高效存儲和快速小文件I/O特點,使用ReiserFs文件系統的PC,在啟動X窗口系統時,所花的時間要比在同一台機器上使用ext2文件系統少1/3。另外,ReiserFS文件系統支持單個文件尺寸為4G的文件,這為大型數據庫系統在linux上的應用提供了更好的選擇。

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