9.認識 Linux 檔案系統

Linux 最傳統的磁碟檔案系統 (filesystem) 使用的是 EXT2 這個啦！

所以要瞭解 Linux 的檔案系統就得要由認識 EXT2 開始！

而檔案系統是建立在磁碟上面的，因此我們得瞭解磁碟的物理組成才行。

 

1 磁碟組成與分割的複習

首先說明一下磁碟的物理組成，整顆磁碟的組成主要有：

• 圓形的磁碟盤(主要記錄資料的部分)；
• 機械手臂，與在機械手臂上的磁碟讀取頭(可讀寫磁碟盤上的資料)；
• 主軸馬達，可以轉動磁碟盤，讓機械手臂的讀取頭在磁碟盤上讀寫資料。

 

儲存與讀取的重點在於磁碟盤，而磁碟盤上的物理組成則為

 

• 磁區(Sector)為最小的物理儲存單位，且依據磁碟設計的不同，目前主要有 512bytes 與 4K 兩種格式；
• 將磁區組成一個圓，那就是磁柱(Cylinder)；
• 早期的分割主要以磁柱為最小分割單位，現在的分割通常使用磁區為最小分割單位(每個磁區都有其號碼喔，就好像座位一樣)；
• 磁碟分割表主要有兩種格式，一種是限制較多的 MBR 分割表，一種是較新且限制較少的 GPT 分割表。
• MBR 分割表中，第一個磁區最重要，裡面有：(1)主要開機區(Master boot record, MBR)及分割表(partition table)， 其中 MBR 佔有 446 bytes，而 partition table 則佔有 64 bytes。
• GPT 分割表除了分割數量擴充較多之外，支援的磁碟容量也可以超過 2TB。

 

2 檔案系統特性

我們都知道磁碟分割完畢後還需要進行格式化(format)，之後作業系統才能夠使用這個檔案系統。

為什麼需要進行『格式化』呢？

這是因為每種作業系統所設定的檔案屬性/權限並不相同，

為了存放這些檔案所需的資料，因此就需要將分割槽進行格式化，

以成為作業系統能夠利用的『檔案系統格式(filesystem)』。

 

例如 Linux 作業系統的檔案權限(rwx)與檔案屬性(擁有者、群組、時間參數等)。 

檔案系統通常會將這兩部份的資料分別存放在不同的區塊，權限與屬性放置到 inode 中，

至於實際資料則放置到 data block 區塊中。 

 另外，還有一個超級區塊 (superblock) 會記錄整個檔案系統的整體資訊，

包括 inode 與 block 的總量、使用量、剩餘量等。

 

由於每個 inode 與 block 都有編號，

而每個檔案都會佔用一個 inode ，inode 內則有檔案資料放置的 block 號碼。 

 

 

 

 

圖7.1.1、inode/block 資料存取示意圖

 

3 Linux 的 EXT2 檔案系統(inode)

因為標準的 Linux 檔案系統 Ext2 就是使用這種 inode 為基礎的檔案系統啦！

inode 的內容在記錄檔案的權限與相關屬性，至於 block 區塊則是在記錄檔案的實際內容。

而且檔案系統一開始就將 inode 與 block 規劃好了，除非重新格式化(或者利用 resize2fs 等指令變更檔案系統大小)，

否則 inode 與 block 固定後就不再變動。

 

 

因此 Ext2 檔案系統在格式化的時候基本上是區分為多個區塊群組 (block group) 的，每個區塊群組都有獨立的 inode/block/superblock 系統。

 

 

 

• data block (資料區塊)

 

data block 是用來放置檔案內容資料地方，在 Ext2 檔案系統中所支援的 block 大小有 1K, 2K 及 4K 三種而已。

除此之外 Ext2 檔案系統的 block 還有什麼限制呢？有的！基本限制如下：

• 原則上，block 的大小與數量在格式化完就不能夠再改變了(除非重新格式化)；
• 每個 block 內最多只能夠放置一個檔案的資料；
• 承上，如果檔案大於 block 的大小，則一個檔案會佔用多個 block 數量；
• 承上，若檔案小於 block ，則該 block 的剩餘容量就不能夠再被使用了(磁碟空間會浪費)。

 

• inode table (inode 表格)

基本上，inode 記錄的檔案資料至少有底下這些：

 

• 該檔案的存取模式(read/write/excute)；
• 該檔案的擁有者與群組(owner/group)；
• 該檔案的容量；
• 該檔案建立或狀態改變的時間(ctime)；
• 最近一次的讀取時間(atime)；
• 最近修改的時間(mtime)；
• 定義檔案特性的旗標(flag)，如 SetUID...；
• 該檔案真正內容的指向 (pointer)；

 

node 的數量與大小也是在格式化時就已經固定了，除此之外 inode 還有些什麼特色呢？

• 每個 inode 大小均固定為 128 bytes (新的 ext4 與 xfs 可設定到 256 bytes)；
• 每個檔案都僅會佔用一個 inode 而已；
• 承上，因此檔案系統能夠建立的檔案數量與 inode 的數量有關；
• 系統讀取檔案時需要先找到 inode，並分析 inode 所記錄的權限與使用者是否符合，若符合才能夠開始實際讀取 block 的內容。

 

• Superblock (超級區塊)

Superblock 是記錄整個 filesystem 相關資訊的地方， 沒有 Superblock ，就沒有這個 filesystem 了。他記錄的資訊主要有：

• block 與 inode 的總量；
• 未使用與已使用的 inode / block 數量；
• block 與 inode 的大小 (block 為 1, 2, 4K，inode 為 128bytes 或 256bytes)；
• filesystem 的掛載時間、最近一次寫入資料的時間、最近一次檢驗磁碟 (fsck) 的時間等檔案系統的相關資訊；
• 一個 valid bit 數值，若此檔案系統已被掛載，則 valid bit 為 0 ，若未被掛載，則 valid bit 為 1 。

 

 

• Filesystem Description (檔案系統描述說明)

這個區段可以描述每個 block group 的開始與結束的 block 號碼，

以及說明每個區段 (superblock, bitmap, inodemap, data block) 分別介於哪一個 block 號碼之間。

這部份也能夠用 dumpe2fs 來觀察的。

 

• block bitmap (區塊對照表)

如果你想要新增檔案時總會用到 block 吧！那你要使用哪個 block 來記錄呢？當然是選擇『空的 block 』來記錄新檔案的資料囉。 那你怎麼知道哪個 block 是空的？這就得要透過 block bitmap 的輔助了

 

• inode bitmap (inode 對照表)

這個其實與 block bitmap 是類似的功能，只是 block bitmap 記錄的是使用與未使用的 block 號碼， 至於 inode bitmap 則是記錄使用與未使用的 inode 號碼囉！

 

 

 

 

4 與目錄樹的關係.

 

每個檔案(不管是一般檔案還是目錄檔案)都會佔用一個 inode ，

且可依據檔案內容的大小來分配多個 block 給該檔案使用。

目錄的內容在記錄檔名， 一般檔案才是實際記錄資料內容的地方。

 

• 目錄

當我們在 Linux 下的檔案系統建立一個目錄時，檔案系統會分配一個 inode 與至少一塊 block 給該目錄。

如果想要實際觀察 root 家目錄內的檔案所佔用的 inode 號碼時，可以使用 ls -i 這個選項來處理：

 

 

當你使用『 ll / 』時，出現的目錄幾乎都是 1024 的倍數，為什麼呢？因為每個 block 的數量都是 1K, 2K, 4K 嘛！ 看一下鳥哥的環境：

 

由於鳥哥的根目錄使用的 block 大小為 4K ，因此每個目錄幾乎都是 4K 的倍數。

其中由於 /usr/sbin 的內容比較複雜因此佔用了 4 個 block ！

至於奇怪的 /proc 我們在第五章就講過該目錄不佔磁碟容量， 所以當然耗用的 block 就是 0 囉！

 

• 檔案：

當我們在 Linux 下的 ext2 建立一個一般檔案時， ext2 會分配一個 inode 與相對於該檔案大小的 block 數量給該檔案。

例如：假設我的一個 block 為 4 Kbytes ，而我要建立一個 100 KBytes 的檔案，

那麼 linux 將分配一個 inode 與 25 個 block 來儲存該檔案！

但同時請注意，由於 inode 僅有 12 個直接指向，因此還要多一個 block 來作為區塊號碼的記錄喔！

 

• 目錄樹讀取：