【Linux学习】文件系统 - 揭秘磁盘存储结构与存储原理

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`🍑磁盘文件管理`

前面几篇都是说的被打开的文件，那系统中没有打开的文件呢？

系统中没有被打开文件存储在磁盘/SSD中。其中，没有被打开的文件也需要被OS管理，我们随时随地都需要打开磁盘中的文件，那么怎么才能将磁盘中的文件快速找到呢？所以，OS需要将磁盘中的文件进行管理。如何让OS快速找到文件。

`🚀磁盘的机械构成`

磁盘的机械构成主要包括以下几个部分：

磁盘盘片（Platters）

作用：硬盘存储数据的核心部件。
特点：盘片的数量可以从一片到多片不等，通常盘片越多，硬盘的存储容量越大。每个盘片都有两个盘面，即正反两面都可以存储数据。

主轴马达（Spindle Motor）

位置：位于盘片的中心。
作用：负责驱动盘片以恒定的速度旋转，转速越高，硬盘的数据访问速度越快。

读写头（Read/Write Heads）

作用：每个盘片表面都有一个读写头，用于读取和写入数据。
特点：读写头悬浮在盘片表面上非常微小的距离内（通常是几十纳米），这样可以避免与盘片接触并造成损害。

机械臂杆（Actuator Arm）

作用：读写头被安装在臂架上，臂架的运动使读写头能够在盘片的半径方向上移动，从而访问盘片上不同轨道的数据。

`🌌磁盘的物理存储`

磁盘存储的详细结构

磁道（Tracks）：每个盘面被划分为一个个磁道，这些磁道是同心圆环，从外围开始编号，从0开始。
扇区（Sectors）：每个磁道又被划分为若干个扇区，扇区是磁盘的最小组成单元，通常是512字节或4KB（高级格式化）。扇区是硬盘的最小存储单元。
柱面（Cylinders）：柱面是所有盘面中相同磁道的柱面，形成的是一个立体的柱体形状。磁盘的柱面数和磁道数是相等的，盘面数等于总的磁头数。

存储容量计算

存储容量 = 磁头数 × 磁道（柱面）数 × 每道扇区数 × 每扇区的字节数

其中，磁头沿着半径方向左右摇摆，定位在哪一个磁道，马达带动盘片旋转，定位在磁盘的哪一个扇区。

怎么定位一个扇区？

CHS定位法：

定位在哪一个磁道（cylinder）
定位使用哪一个磁头（head）
定位在哪一个扇区（Sector）

`🍑存储原理`

任何文件的数据都是存储在多个扇区中的，只需要将文件使用过的扇区记录下来，就能找到文件的数据。

写入数据：

当计算机需要将数据写入磁盘时，首先将待存储的数据传输给磁盘控制器。
磁盘控制器再将数据传输给磁头。
磁头通过在磁盘表面上产生磁场来磁化磁盘表面上的磁性材料，从而存储数据。这些磁区可以通过改变磁盘表面上的磁极方向，表示不同的数据位。
磁头通过移动磁盘上的臂部将磁头定位到特定的扇区上，然后通过改变磁头的电流来磁化磁盘表面，写入数据。

读取数据：

当计算机需要读取磁盘上的数据时，磁盘控制器会指示磁头移动到包含所需数据的磁道上。
磁头会定位到具体的扇区上，并检测该扇区中的磁场变化。
通过将磁场变化转换为数字信号，磁头将读取的数据传输给磁盘控制器，进而传输给计算机进行处理。

`📕磁盘的逻辑存储`

我们将一个磁盘抽象成一个磁带，将磁带拉出来，扯平了就是一个线性的结构，类似于将每一个盘面的磁道打开，拼接成一个长的线性空间。如下图：假设磁盘总存储大小为：800G
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但是OS认为，一次和磁盘IO一个扇区单位太小了，OS系统文件认为，IO的基本单位是4KB(8个连续的扇区)，不同的OS有不同的区别，基本单位是可以更改的。如下图：

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一个磁盘往往会进行分区，比如电脑上的D，E，F盘，OS在管理每一个区的时候，还会进行分组，每一组由很多个4KB数据块组成。其中分区与分组中有特有的数据段。如下图：

Linux文件特性：文件 = 内容+属性，并且内容与属性分开存储的。
其中，内容是可变的，大小不确定，属性是确定的，只是属性的内容不一样。
注意：文件名不属于文件属性；

存放文件属性的struct inode结构体大小固定的，为128字节。

inode编号整个分区唯一的，其中ls -i 选项可以查看文件的inode编号；
系统中，标识一个文件不直接是文件名，而是inode编号。

认识一下分区分组中的数据段：

inode Table:里面有很多个连续的128字节的空间，每一个空间存放文件的属性如：文件大小，所有者，最近修改时间等
inode Bitmap ：inode Table对应的位图，标识inode Table的使用情况，每个bit表示一个inode是否空闲可用。
Data blocks（数据区）：该区域被划分为很多个以4KB为单位的数据块，存储文件的内容。
块位图（Block Bitmap）：Block Bitmap中记录着Data Block中哪个数据块已经被占用，哪个数据块没有被占用。
GDT，Group Descriptor Table：块组描述符，描述块组属性信息，例如块组的整体使用情况等。
- 超级块（Super Block）：存放文件系统本身的结构信息。记录的信息主要有：bolck 和 inode的总量，未使用的block和inode的数量，一个block和inode的大小，最近一次挂载的时间，最近一次写入数据的时间，最近一次检验磁盘的时间等其他文件系统的相关信息。Super Block的信息被破坏，可以说整个文件系统结构就被破坏了。Super Block只在个别的Block group中有，本质是进行数据备份。
Block Group：文件系统会根据分区的大小划分为数个Block Group。而每个Block Group都有着相同的结构组成。

删除文件直接将inode bitmap与block bitmap删除即可，不需要将属性与内容删除，使用时覆盖即可。

文件内容与属性怎么关联的？

文件属性结构体中，包含一个int block[15]，就是来存储该文件所使用的数据区里面的数据块的编号，其中，[0,12]为直接映射，[12,13]为间接索引（不保存文件内容，保存的文件使用的数据块的编号），[13,14]为三级索引。所以，有了文件的inode编号，就有了文件属性与内容；