Linux文件系统底层原理

linux文件、目录、Inode

inode负责文件的元数据和数据存储，文件存储块负责实际数据的存储，而目录文件维护文件名和inode之间的联系。

1. 用户空间到内核空间

首先，当用户程序请求打开一个文件时（例如使用open系统调用），程序将文件路径名传递给操作系统。这是从用户空间向内核空间进行系统调用的过程。

2. 解析路径名

操作系统需要解析提供的路径名。如果路径是绝对路径，解析从根目录开始；如果是相对路径，则从当前工作目录开始。路径名可能包含多个组件，由斜杠(/)分隔。

3. 查找目录项

文件系统会逐级查找路径中的每个目录项。每个目录项都有一个关联的inode和文件名。从当前目录（或根目录）的inode开始，文件系统读取目录内容，寻找与第一个路径组件匹配的目录项。

4. 获得inode号

一旦找到了匹配的目录项，就会获得与之关联的inode号。如果路径中还有更多的组件，文件系统会使用这个inode号获取下一级目录的信息，并重复步骤3和4，直到找到最终文件名对应的inode号。

5. 读取inode结构

文件系统使用inode号来索引inode表，读取该文件的inode结构。inode结构包含了文件的元数据，如文件大小、权限、所有者以及指向文件实际数据块的指针。

6. 权限检查

在打开文件之前，系统会检查当前进程是否有足够的权限（基于inode中的权限信息）来执行请求的操作（读、写或执行）。

7. 创建文件描述符

权限检查通过后，内核会为该文件创建一个文件描述符（file descriptor）。文件描述符是一个非负整数，它在内核中唯一标识已打开的文件，并可被进程用来读写文件。

8. 返回文件描述符

最后，文件描述符会返回给用户空间的程序，程序接下来就可以使用这个文件描述符来进行文件读写等操作。
当我们尝试打开/usr/local/a.txt这个文件时，操作系统会经历以下步骤：

1. 路径解析：
操作系统首先解析文件的路径。根据路径/usr/local/a.txt，它会从根目录开始查找。
首先，它会读取根目录/的内容，查找usr这个目录条目对应的inode号码。
一旦找到usr目录的inode，系统就会加载这个inode，并访问存储在usr目录下的`文件条目和子目录`的列表。
接着在usr目录下查找名为local的目录，并重复上述过程，即加载其inode，查找local目录下的内容。
最后在local目录的内容中找到名为a.txt的`文件条目`，并获取其对应的`inode号码`。

2. inode加载：
系统根据得到的inode号码，从磁盘上的`inode表`中加载a.txt文件的`inode结构`。
inode结构包含了文件的各种属性信息，如文件类型、权限、所有者、组、文件大小、时间戳（创建、修改、访问时间）以及指向文件实际数据的指针。

3. 权限检查：
不通过将返回一个错误，通常是“Permission denied”。

4. 文件打开：
一旦确认用户有相应的权限，系统会在内核中为该文件创建一个文件描述符（`整数`）。

有了文件描述符之后，就可以通过Linux提供的系统调用（如read(), write()等）来操作文件内容了。
文件的实际数据可能存储在硬盘的不同位置，inode中的`指针`会指向这些数据所在的数据块。
系统会根据需要从磁盘读取数据到内存中，或者将内存中的数据写入到磁盘。

5. 关闭文件：
完成对文件的操作后，程序会调用close()系统调用来关闭文件描述符。
关闭文件描述符后，相关资源会被释放，该文件描述符也可以被其他文件使用。
Linux文件目录
绝对路径是从根目录（/）开始的完整路径，它可以唯一地标识一个文件或目录
相对路径是相对于当前工作目录的路径
cd: 改变当前工作目录
pwd: 显示当前工作目录的路径
ls: 列出指定目录下的文件和子目录 其实就是输出了目录文件的内容
chdir: 改变当前工作目录
getcwd: 获取当前工作目录的路径
access: 判断文件是否存在或是否有指定的权限
Linux系统目录文件是什么？

在Linux中，目录是一种特殊类型的文件。它的主要作用是存储其他文件和子目录的索引。一个目录文件包含了一系列的条目，每个条目都连接着一个文件名到相应文件（或子目录）的inode号码。

文件名：在该目录下的文件或子目录的名称。
inode号码：与每个文件名对应的inode的唯一标识符。这个inode号码指向文件系统中的inode表里的一个特定的inode

Linux系统文件种类有哪些？

在Linux操作系统中，几乎所有的外接设备都是以文件的形式表示和访问的。这一设计理念体现在Linux的常说原则“一切皆文件”（Everything is a file）上。无论是硬盘、USB驱动器、打印机还是其他外围设备，它们在Linux中通常都有对应的文件表示。这些设备文件通常位于/dev目录下

DT_REG：普通文件
DT_DIR：目录文件
DT_FIFO：命名管道
DT_SOCK：套接字文件
DT_CHR：字符设备文件
DT_BLK：块设备文件
DT_LNK：符号链接文件（软链接）

套接字文件：

本地套接字通常位于/tmp目录、/var/run目录，如：

/var/run/mysqld/mysqld.sock：MySQL
/proc/net/tcp：所有的TCP套接字文件

字符设备文件：

特点：

数据按字符（字节）流处理。
支持串行访问。
通常用于像键盘、鼠标、串口和打印机这样的设备。

示例：

/dev/tty - 表示当前终端的控制终端。
/dev/null - 一个特殊的字符设备，任何写入它的数据都会被丢弃，读取它总是返回文件结束。
/dev/random 和 /dev/urandom - 随机数生成器设备，提供随机数据。
/dev/ttyUSB0 - 第一个 USB 串行端口设备文件。

块设备文件：

特点：

数据按块（通常是512字节或更大）处理。
支持随机访问。

示例：

/dev/sda - 第一个SCSI或SATA硬盘。
/dev/sdb, /dev/sdc 等 - 其他SCSI或SATA硬盘。
ls -l命令查看/dev目录下的内容来区分字符设备和块设备
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 Mar 10 08:53 /dev/sda
crw-rw-rw- 1 root tty 5, 0 Mar 10 09:08 /dev/tty
Linux文件按块存储

在Linux文件系统中，一个数据块通常只用于存储单个文件的数据。每个数据块被分配给文件时，它将专门用于该文件的内容，并且不会与其他文件共享。

块的大小有1 KB、2 KB、4 KB或更大，当一个文件小于一个块的大小时，产生的未使用空间称为内部碎片。

Linux系统 Inode表是什么？

inode表是一个数据结构，它位于Unix和类Unix文件系统中，用来存储文件的元数据信息（除了文件名和目录信息之外的所有信息）。每个文件或目录在文件系统中都有一个唯一的inode，并且有一个对应的条目在inode表中。

每个inode条目通常包含以下信息：
文件的类型：比如普通文件、目录、符号链接、字符设备、块设备等。

权限位：指明哪些用户对该文件有读、写、执行权限。

所有者：文件的所有者的用户ID（UID）。

所属组：文件的所属组的组ID（GID）。

文件大小：文件的字节大小。

时间戳：文件的最后访问时间、最后修改时间、inode状态的最后改变时间等。

链接计数：指向该文件的硬链接数量。
数据块指针：指向文件实际内容的数据块的指针。这可能包括直接指针、间接指针、双重间接指针和三重间接指针。
`直接指针`: 这些指针直接指向包含文件数据的硬盘块。在inode中，通常有多个直接指针，每个指向一个不同的数据块。小文件的数据可能完全由直接指针引用。

`间接指针`: 一旦直接指针不足以引用文件数据时，就会使用间接指针。一个间接指针指向一个硬盘块，而这个硬盘块完整地被用作存储其他指针的数组，这些新指针各自指向实际包含文件数据的硬盘块。

`双重间接指针`: 当一个间接指针还不够时，双重间接指针会被利用

`三重间接指针`: 在极少数情况下，如果文件非常大，即使双重间接指针也不够用时，就会使用到三重间接指针

实际数据：
所以Linux文件系统是通过这种`索引分配`方法来管理文件的数据块
有些文件系统（FAT32，EXFAT）是通过`链接分配`来管理的
`顺序分配`比较少用，因为容易产生碎片
当文件系统被格式化时，inode表会被创建并预分配一定数量的inode，这些inode会占据连续的空间。每个inode都有一个数字标识符（称为inode号），文件系统通过这个inode号来引用特定的文件元数据。

文件名与inode之间的映射存储在目录项中。目录本身也是一种特殊的文件，它的内容包含了文件名和相应的inode号码。这样设计可以允许多个文件名（硬链接）指向同一个inode，因此同一个文件可以出现在多个位置，但是其元数据实际上只存储一份。

Inode相关命令
在 /home/user 目录下查找 inode 号为 123 的文件：
find /home/user -inum 123

查看 filename的 inode 号
ls -i filename
硬链接和软链接

硬链接：

定义：硬链接是指向文件inode的直接指针。创建硬链接时，实际上是在不同的位置创建了相同的文件名，这些文件名指向同一个inode号。
硬链接像是给文件创建了一个额外的“别名”，与原始文件完全等同。

软链接：

定义：软链接（符号链接）是一个特殊类型的文件，它包含了另一个文件的路径名信息。软链接文件自己有独立的inode和数据块，数据块中存储的是其所指向的目标文件的路径名。
属性独立：软链接与它所指向的文件有着不同的权限、所有者和大小信息。软链接的大小通常是它所包含的路径字符串的字符数。
限制：软链接可以跨文件系统创建，因为它们通过路径名而非inode号来引用文件。软链接可以指向目录，也可以指向不存在的文件或目录。
删除行为：删除软链接不会影响目标文件。如果删除了目标文件，软链接将成为一个悬空链接，也就是说它不再指向一个有效的文件，尝试访问该软链接将产生错误。

Linux文件权限

每个文件和目录都有三组权限：

所有者（Owner）权限：文件的创建者通常是其所有者，并且可以设置文件的权限。
组（Group）权限：文件属于一个用户组，该组内的所有用户共享相同的权限。
其他用户（Others）权限：系统上的其他用户的权限。

每组权限三种类型：

读（Read, r）：允许读取文件内容或列出目录中的内容。
写（Write, w）：允许修改文件内容或向目录中添加/删除文件。
执行（Execute, x）：允许执行文件，或允许进入目录并访问其包含的文件和子目录。
所以验证权限时需要递归向上级目录验证权限

示例：
-rwxr-xr-- 1 user group 1024 Mar 10 08:53 example.txt
第一个字符表示文件类型（例如-代表普通文件，d代表目录，l代表符号链接等）。

chmod u=rwx,g=rx,o=r example.txt  # 使用字母设置权限
chmod 754 example.txt             # 使用数字设置权限