初识文件系统

news2024/10/5 12:52:11

文章目录

  • 1、概述
  • 2、inode结构
  • 3、block BitMap 和 inode BitMap
  • 4、软链接和硬链接
    • 4.1 硬链接
    • 4.2 软链接
  • 5、Linux下的文件类型的

1、概述

文件存储在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做“扇区”（Sector）。每个扇区储存512字节

操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区的读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个“块”（block）。这种由多个扇区组成的“块”，是文件存取的最小单位。“块”的大小，最常见的是4KB，即连续八个sector组成一个block。

操作系统与内存进行交互时，是按照页为基本单位的，一页也就等于4KB，这里和block的大小一致，我猜应该是为了方便对齐吧。

文件=文件属性+文件内容

文件内容都存在于block中，而文件属性存放在文件控制块中，在Linux下又称为inode(index node)，它主要就存放文件的创建者、文件的创建日期、文件的大小等信息。

以ext系列文件系统为例，看看它们主要包含哪些结构：

在这里插入图片描述

Boot Block：文件系统的起始位置，存储了一些重要的引导信息，包括文件系统的元数据和加载程序等。

每一个Block Group都是一个分区，每个分区都可以实现不同的文件系统，这里是以ext系列的文件系统为例。

Superblock（超级块）：在ext2/ext3/ext4文件系统中，Superblock存储了文件系统的整体信息，如文件系统的类型、大小、空闲和已填满的块数量等。Superblock通常位于文件系统的第一个块组中。

Group Descriptor Table（组描述符表）：描述了文件系统中每个块组的属性，如块组的块大小、块数量等。每个块组都有一个与之关联的组描述符，存储在组描述符表中。

Block BitMap：用于记录Block块的使用情况。

inode BitMap：用于记录inode的使用情况。

Inode Table（索引节点表）：在ext2/ext3/ext4文件系统中，Inode Table存储了文件系统的索引信息，包括文件的元数据（如文件大小、创建时间等）和文件数据块的地址。

Data Blocks（数据块）：存储了文件系统的实际数据，这些数据块是文件系统中的基本存储单元。

以上的数据都是会占用磁盘空间的

2、inode结构

前面谈到文件=文件属性+文件内容

一般来说，文件属性和内容都是分开存储的，存放属性的结构又叫文件控制块，在Linux下，文件控制块就是inode

以下是Linux-4.9.145中定义的，文件系统ext4的inode结构体

//linux-4.9.145\fs\ext4\ext4.h
/*
 * Structure of an inode on the disk
 */
struct ext4_inode {
	__le16	i_mode;		/* File mode */
	__le16	i_uid;		/* Low 16 bits of Owner Uid */
	__le32	i_size_lo;	/* Size in bytes */
	__le32	i_atime;	/* Access time */
	__le32	i_ctime;	/* Inode Change time */
	__le32	i_mtime;	/* Modification time */
	__le32	i_dtime;	/* Deletion Time */
	__le16	i_gid;		/* Low 16 bits of Group Id */
	__le16	i_links_count;	/* Links count */
	__le32	i_blocks_lo;	/* Blocks count */
	__le32	i_flags;	/* File flags */
	union {
		struct {
			__le32  l_i_version;
		} linux1;
		struct {
			__u32  h_i_translator;
		} hurd1;
		struct {
			__u32  m_i_reserved1;
		} masix1;
	} osd1;				/* OS dependent 1 */
	__le32	i_block[EXT4_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
	__le32	i_generation;	/* File version (for NFS) */
	__le32	i_file_acl_lo;	/* File ACL */
	__le32	i_size_high;
	__le32	i_obso_faddr;	/* Obsoleted fragment address */
	union {
		struct {
			__le16	l_i_blocks_high; /* were l_i_reserved1 */
			__le16	l_i_file_acl_high;
			__le16	l_i_uid_high;	/* these 2 fields */
			__le16	l_i_gid_high;	/* were reserved2[0] */
			__le16	l_i_checksum_lo;/* crc32c(uuid+inum+inode) LE */
			__le16	l_i_reserved;
		} linux2;
		struct {
			__le16	h_i_reserved1;	/* Obsoleted fragment number/size which are removed in ext4 */
			__u16	h_i_mode_high;
			__u16	h_i_uid_high;
			__u16	h_i_gid_high;
			__u32	h_i_author;
		} hurd2;
		struct {
			__le16	h_i_reserved1;	/* Obsoleted fragment number/size which are removed in ext4 */
			__le16	m_i_file_acl_high;
			__u32	m_i_reserved2[2];
		} masix2;
	} osd2;				/* OS dependent 2 */
	__le16	i_extra_isize;
	__le16	i_checksum_hi;	/* crc32c(uuid+inum+inode) BE */
	__le32  i_ctime_extra;  /* extra Change time      (nsec << 2 | epoch) */
	__le32  i_mtime_extra;  /* extra Modification time(nsec << 2 | epoch) */
	__le32  i_atime_extra;  /* extra Access time      (nsec << 2 | epoch) */
	__le32  i_crtime;       /* File Creation time */
	__le32  i_crtime_extra; /* extra FileCreationtime (nsec << 2 | epoch) */
	__le32  i_version_hi;	/* high 32 bits for 64-bit version */
	__le32	i_projid;	/* Project ID */
};

一些相关字段的说明：

i_mode：该字段表示文件的访问权限和类型。它包括读取、写入和执行权限的信息，以及条目是否为常规文件、目录、符号链接等
i_uid和i_gid：分别存储文件所有者的用户ID（UID）和组ID（GID）
i_size_lo：文件的大小
i_atime：记录最后一次访问文件的时间
i_ctime：记录最后一次修改文件属性(大小，创建时间，创建者等信息)的时间/或者叫做最后一次修改inode的时间 (i_mtime的改变必然会引起i_ctime的改变，因为文件的大小发生了改变)
i_mtime：记录最后一次修改文件内容的时间
i_dtime：文件删除的事件
i_links_count：硬链接的数量
i_blocks_lo：使用了多少的Block块
__le32 i_block[EXT4_N_BLOCKS]：一个指针数组，里面的元素是指向Block块的物理地址

在Linux下，使用命令 stat + 文件名，就可以查看文件的详细信息

在这里插入图片描述

Size: 文件的大小，以字节为单位。
Blocks: 被用于存储文件的数据块的数量。
IO Block: 这是用于文件读写的内存块的大小。
Device: 文件所在的设备。
Inode: 文件的inode编号。
Links: 硬链接的数量。
Access: 最后一次访问文件的时间。
Modify: 最后一次修改文件的时间。
Change: 最后一次更改文件的inode信息的时间。
Birth: 文件的创建时间，因为test.c没有被记录（所以显示为"-"）。

在Linux中，每创建一个文件，都会与一个inode对应，并且Linux系统内部不使用文件名，而是使用inode编号识别文件，文件名和inode编号的映射关系是存放在数据块中(Block)，对于系统来说文件名只是inode编号便于识别的别称。除此之外，inode编号就对应着inode table的下标。

查看一个文件的inode编号

在这里插入图片描述

通过下面这张图，就能进一步的理解它们之间的关系：

在这里插入图片描述

因为文件的大小不会仅仅就使用一个block，也就是4kb，有可能会使用很多个block，因此ext4_inode中有这样一个字段，__le32 i_block[EXT4_N_BLOCKS]，它是一个指针数组，用来存放block的地址的，但这个数组的大小仅仅为15

/*
 * Constants relative to the data blocks
 */
#define	EXT4_NDIR_BLOCKS		12
#define	EXT4_IND_BLOCK			EXT4_NDIR_BLOCKS
#define	EXT4_DIND_BLOCK			(EXT4_IND_BLOCK + 1)
#define	EXT4_TIND_BLOCK			(EXT4_DIND_BLOCK + 1)
#define	EXT4_N_BLOCKS			(EXT4_TIND_BLOCK + 1)

所以对多只能存储15*block(4个kb)=60kb的数据，如果存储的数据大于60kb呢？如何存储呢？
那么在最后一个block中，会存放下一个block的地址，如果下一个block也不够用，那么它又会存放下下一个block的地址，以此类推，就形成了链式结构。

并且ext4_inode中，i_blocks_lo和i_size_lo分别表示使用的block块数和总的文件大小(包括inode(大小固定，一般为128字节)和blocks)，因此在读取文件时，就能知道是否读到了最后一个block，并且最后一个block应该读取多少字节

假设一个文件需要用到17个block，那么它的存储形式如下：

在这里插入图片描述

此外还有一个问题？

想要查找一个文件，就需要找到它的inode编号，而文件名称和inode编号的映射关系是存放在当前目录下的block中的，这样就需要查找当前目录，而当前目录的名称和inode编号的映射关系又存放在上级目录的block中，这样就会形成递归查找，总会查找根目录。然而根目录已经没有上级目录，那么就无法查找到根目录的inode节点？

例如现在有一个文件fl.txt，文件内容为hello fl，目录结构为 /root/fl.txt，如果想要查看这个文件，就必须递归式的查找，直到查找到根目录为止

在这里插入图片描述

但是根目录没有上级目录，如何知道根目录的inode编号呢？

为了解决这个问题，大家就将根目录的inode编号设定为一个固定值，在Linux系统中，根目录的inode编号通常是2，Linux下文件系统的都必须遵守这个规定

3、block BitMap 和 inode BitMap

在创建文件时，无论是申请inode还是block，是如何知道对应的inode或者block是否被占用呢？
这里就采用了bitmap这样的数据结构，通过二进制的0和1判断是否被占用，具体的原理可以看一下我的另外一篇博客位图的实现原理

block BitMap用于判断block是否被占用

inode BitMap 用于判断inode是否被占用

BitMap只能快速判断某个block或者inode是否被使用，如果想要申请空闲的block或者inode，就需要遍历整个bitmap，时间复杂度就是O(n)，对此内核一定做了其他的优化，例如使用hash结构，这个我暂时不知道，等后面知道了，再回来补充。

因此对应创建文件test.c，本质就是修改位图+填充inode信息

  1. 遍历inode bitmap位图结构，找到空闲数据块；
  2. 把test.c的inode填入inode数据块里，由于是空文件所以不需要block block。

而需要写入内容时：根据其inode找到它对应的空间，发现为空，就通过遍历block bitmap位图结构找到空闲的block，然后把该block的地址写入到inode结构中的i_block数组中，然后就把文件内容写到block即可。

对于删除文件而言

并不需要清空inode和block的内容，只需要修改两个位图，由1->0即可“删除该文件”，这也就将该位置定义为可覆盖的文件数据；这也就是为什么平时删除文件是可以恢复的。

4、软链接和硬链接

为解决文件的共享使用，Linux 系统引入了两种链接：硬链接 (hard link) 与软链接（又称符号链接，即 soft link 或 symbolic link）。链接为 Linux 系统解决了文件的共享使用，还带来了隐藏文件路径、增加权限安全及节省存储等好处。

4.1 硬链接

linux下的文件是通过索引节点（Inode）来识别文件的，硬链接可以认为是一个指针，指向文件索引节点的指针，系统并不为它重新分配inode。每添加一个一个硬链接，ext4_inode结构中的i_links_count就会增加1

硬连接之间没有主次之分，删除某个硬链接，只是将其从目录的数据块中删除相关信息，并且文件链接数减一。不会从inode表中删除inode，除非只剩下一个链接数。

举例说明：

#创建一个目录
[root@VM-4-4-centos ~]# mkdir hardlink
#查看该目录的文件详细信息，可以看到对应的硬链接数为2
[root@VM-4-4-centos ~]# stat hardlink/
  File: ‘hardlink/’
  Size: 4096      	Blocks: 8          IO Block: 4096   directory
Device: fd01h/64769d	Inode: 451124      Links: 2
Access: (0755/drwxr-xr-x)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)
Access: 2023-12-12 08:53:26.917803512 +0800
Modify: 2023-12-12 08:53:26.917803512 +0800
Change: 2023-12-12 08:53:26.917803512 +0800
 Birth: -
#进入该目录，并创建文件
[root@VM-4-4-centos ~]# cd hardlink/
[root@VM-4-4-centos hardlink]# touch fl.txt
#查看该文件的硬链接数，为1
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ll fl.txt 
-rw-r--r-- 1 root root 0 Dec 12 08:54 fl.txt
#向fl.txt写内容
[root@VM-4-4-centos hardlink]# echo "hell fl" > fl.txt 
[root@VM-4-4-centos hardlink]# cat fl.txt 
hell fl
#为fl.txt创建一个硬链接，再次查看文件的硬链接数，结果都为2，并且它们的inode编号都是一样的
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ln fl.txt fl.link
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ll -i
total 8
422632 -rw-r--r-- 2 root root 8 Dec 12 08:56 fl.link
422632 -rw-r--r-- 2 root root 8 Dec 12 08:56 fl.txt
#删除fl.txt，fl.link依旧可以正常查看内容
[root@VM-4-4-centos hardlink]# rm -f fl.txt 
[root@VM-4-4-centos hardlink]# cat fl.link 
hell fl
#再次查看fl.link的硬链接数，结果为1
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ll
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 8 Dec 12 08:56 fl.link

当我们删除fl.txt时，只是把hardlink所对应的block里面的fl.txt和所对应的inode编号的映射关系给删除了，但此时还有fl.link和所对应的inode编号的映射关系，因此我们依旧能找到fl.link所对应的inode，以及inode对应的block，从而就能找到里面的数据。如图所示：

在这里插入图片描述

通过这张图，同时也验证了在Linux下是使用inode编号识别文件，而非文件名

当删除了fl.txt之后，fl.link的硬链接数为1，如果再将fl.link也删除，对应的inode也会被回收。具体的操作就是，在block BitMap中，将inode所使用的block所对应的位置改为0，表示改block块空闲，再将inode结构中的i_blocks_lo改为0，表示inode不再关联任何block，最终在inode BitMap，将inode所对应的位置改为0，表示该inode空闲。

这也说明了，Linux下删除文件，只是将inode和block所处BitMap的位置，从1改为0，表示空闲，并解除inode和block的关联，而真正的数据是不会被删除的，直到新数据的覆盖，因此Linux中被删除的文件数据是可以被找回的，只要相应的数据块没有被再次覆盖使用

这里还有一个问题，为什么目录hardlink的硬链接数为2呢？

因为在hardlink目录下，有一个名为.的隐藏目录，而该目录也就是当前目录的意思。即hardlink目录。所以才会有两个链接数

[root@VM-4-4-centos hardlink]# ll -a
total 12
drwxr-xr-x   2 root root 4096 Dec 12 09:00 .
dr-xr-x---. 39 root root 4096 Dec 12 08:53 ..
-rw-r--r--   1 root root    8 Dec 12 08:56 fl.link

硬链接存在的问题

无法跨分区，跨设备创建硬链接

[root@VM-4-4-centos hardlink]# df -h .
Filesystem      Size  Used Avail Use% Mounted on
/dev/vda1        40G   33G  4.8G  88% /
#当前目录所在的分区为/dev/vda1，在分区/sys/下，为当前目录下的fl.link建立一个硬链接，结果为失败
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ln fl.link /sys/link
ln: failed to create hard link ‘/sys/link’ => ‘fl.link’: Invalid cross-device link

因为每个分区都有自己的文件系统，inode的查找规则也不一样。假设A分区的文件在B分区做了一个硬链接，此时访问B分区的此链接，按照我们想的是需要它访问A分区的inode，进行数据查询，但是它只会根据B分区的inode，在B数据块中查找数据。就相当于数据库中的两张表，你不可能拿A表的主键去在B表中查找数据。

无法创建目录的硬链接

[root@VM-4-4-centos ~]# ln hardlink/ hardlink.link
ln: ‘hardlink/’: hard link not allowed for directory

无法创建目录的硬链接，因为这可能把目录树变为环形图。例如假设存在目录 /A/B.link 和 /B/A.link。如果B.link是B目录的硬链接，A.link是A目录的硬链接。那A.link既然是/A的链接，那它里面肯定有B.link。同理B.link里面肯定有A.link。这样依次循环 /A/B.link/A.link/B.link/A.link/…。就造成了死循环的现象。

4.2 软链接

为了克服硬链接的这些限制，从而引入了软链接，也称符号链接。它相当于我们 Windows 中的快捷方式，即如果你软链接一个目录，只是一个目录的快捷方式到指定位置，操作系统找这个快捷方式会直接找到真实目录下的文件。

举例说明：

[root@VM-4-4-centos hardlink]# touch test.txt
[root@VM-4-4-centos hardlink]# echo "hello fl" > test.txt 
#为test.txt创建一个软链接
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ln -s test.txt test.slink
[root@VM-4-4-centos hardlink]# ll -i
total 4
422669 lrwxrwxrwx 1 root root 8 Dec 12 10:17 test.slink -> test.txt
422658 -rw-r--r-- 1 root root 9 Dec 12 10:16 test.txt

如上可以看出，软连接与原文件并不是同一inode，链接数也没有增加。并且文件大小也不一样。

因为软链接的inode指向的block保存的是原文件的路径，如果保存的不是路径，而是文件名，默认会在软链接所在路径查找

在这里插入图片描述

当原文件被删除，软链接里面存放的路径也就是失效了，软链接从而也就失效了

在这里插入图片描述

创建软链接时，既能使用绝对路径创建，也能使用相对路径创建

当使用相对路径创建软链接时，需要注意如下问题：

在这里插入图片描述

在上图中，通过 ln -s …/test.txt /tmp/test.slink，在/tmp下创建了软链接，当试图通过test.slink查看test.txt文件的内容时，发现竟然报错，原因是找不到test.txt。因为/tmp/test.slink在指向…/test.txt 的过程中，它会以自己的路径为初始点去寻找test.txt。即 /tmp/test.slink -> …/test.txt，在系统看来，它会理解成以test.slink所在路径为起点，回到上一级目录，去寻找test.txt，很显然，上级目录不存在test.txt，所以报错

创建的软连接，指向的文件，默认会以软链接的路径为主，去寻找指向的文件，所以创建时，请以软链接的路径作为起点路径 去写原文件的相对路径

而由于软链接 inode指向的数据块只保存 原文件的地址字符串，所以可以跨分区、跨设备创建，并且文件夹也可以创建。当然如果原文件被删除了，链接则也会失效

5、Linux下的文件类型的

  1. 普通文件，硬链接也是普通文件，文件标识符为-
  2. 目录，文件标识符为d
  3. 软链接(符号链接)，文件标识符为l
  4. 面向块的设备文件，例如磁盘，驱动器、网卡，文件标识符为b
  5. 面向字符的设备文件，例如/dev/下的tty0、tty1、tty2等，它们就对应着键盘的每个字符，文件表示符为c
  6. 管道(匿名管道)和命名管道，文件标识符为p
  7. socket，文件标识符为s

即使是磁盘，驱动器，网卡，显示器这样的硬件设备，在Linux下也将其抽象成文件，这就符合Linux下一切皆文件的概念

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Slice 编码帧或场分割成若干个slice独立编码，各Slice之间相互独立，Slice中又有多个宏块构成，各Slice中的宏块个数不一定要一致，可以有以下几种Slice的划分方式： 一个picture一个Slice一个picture多个Slice，每个Slice的宏块数目一致一个picture多个Slice，每个Slice的宏块…
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注意力机制和自注意力机制

注意力机制和自注意力机制

有很多自己的理解&#xff0c;仅供参考 Attention注意力机制 对于一张图片&#xff0c;我们第一眼看上去&#xff0c;眼睛会首先注意到一些重点的区域&#xff0c;因为这些区域可能包含更多或更重要的信息&#xff0c;这就是注意力机制&#xff0c;我们会把我们的焦点聚焦在比…
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cadence中如何在更新原理图封装

cadence中如何在更新原理图封装

cadence中如何在更新原理图封装 一、更改原理图封装 当原理图画好后&#xff0c;如果我们发现某个封装错了&#xff0c;需要改动&#xff0c;需要找到你最初画Library中器件封装文件打开&#xff0c;进行修改&#xff0c;修改好后保存。 二、更新封装 保存好后&#xff0c;…
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