Linux相关概念和易错知识点（20）（dentry、分区、挂载）

1.dentry

（1）路径缓存的原因

（2）dentry的结构

①多叉树结构

②file和dentry之间的联系

③路径概念存在的意义

2.分区

（1）为什么要确认分区

（2）挂载

①进入分区

②被挂载的目录文件

（3）模拟创建分区

①创建特定大小的文件

②模拟创建分区

③挂载目录

④卸载分区

（4）总结

1.dentry

（1）路径缓存的原因

定位文件了实际上就是根据文件路径的逆向解析，从根目录（根目录的inode编号、名称等都是特殊固定的）开始一直按解析的路径依次打开目录文件，最终找到我们要访问的文件。每个文件都要有路径，而路径是进程告诉系统的（如cwd可以协助提供绝对路径）。但如果我们对同级目录的文件多次访问，每次访问都会不断重新从根目录打开文件，这样效率太低了。因此我们需要路径缓存

（2）dentry的结构

①多叉树结构

每个dentry都含有一个inode指针，指向内存中缓存的inode结构体。当系统启动的时候，根目录的dentry被最先创建。

每个文件都最多有一个dentry，整个系统的dentry链接为一棵多叉树

当进行任何路径访问时，会根据我们要访问的路径进入内存级dentry树里面找，如果找到了就直接根据inode信息打开文件；如果找不到，则会从能找到的结点（目录）开始，读取该节点内容到内存中，根据文件名找到对应的inode编号，再去创建file、缓存inode、创建dentry结点到内存中，并按树状连接到根，进入这个新的结点，以此类推直到找到文件。当找到路径最后指向的文件后就终止。此时我们可以得到fd并进行文件操作。

注意，path的存在是有意义的，它记录了根目录的dentry指针等信息，保证每次创建dentry时能够正确地连接到同一颗dentry多叉树里面，并对当前结点dentry进行管理。

我们不需要担心多叉树越来越大，因为Linux的内核链表允许dentry中的结点链入其它链表中。

②file和dentry之间的联系

我们的文件系统在硬件侧的逻辑就是fd -> file -> path -> dentry -> inode -> 根据inode结合GDT、超级块等读取Data blocks数据到内存 -> 根据内存已有数据决定新修改内容如何存储 -> 结合inode、GDT、超级块以数据块为最小单位写回磁盘 -> 更新管理信息。

其中dentry的作用就是帮助我们快速找到文件，当我们想要从fd访问文件时，我们只需要在dentry里面进行内存级访问、查找文件inode即可。第一次查找时可能会慢，因为要一直读取目录文件的内容（硬盘级操作），根据上级目录逐级创建dentry、inode结点，但第二次、第三次访问就可以很快的从根dentry找到自己重复访问的目录文件的inode（内存级操作），进一步快速打开文件。

③路径概念存在的意义

通过上面的学习，我们发现Linux需要对路径结构进行缓存。事实上，在磁盘上并没有路径的概念，也不存在目录文件和普通文件的区别，它只需要按照自己的结构存数据即可。路径的概念是操作系统建立的，路径本质就是一个针对硬盘存储进行管理的结构，Linux任何对路径的操作本质都是针对dentry的查找，构建等操作，dentry再和文件直接打交道。

一句话总结就是：硬盘的物理结构不存在路径，但系统的逻辑结构构建出了路径，dentry是提高路径访问效率的协助者。

2.分区

（1）为什么要确认分区

我们的dentry讲解中存在一个巨大的漏洞，那就是文件的inode是以分区为界限的。同一个操作系统能访问不同分区，这就使得inode编号的唯一性被打破了，我们又如何能使用inode的唯一性来查找文件呢？进一步讲，进程的路径真的只有我们理解的那样层层目录文件包含的关系吗？

问题的根源来自分区的确定，我们只要确定了分区，上面的问题就都能解释了。

（2）挂载

认识一下分区的查看

对于整个操作系统而言，尽管存在多个分区，但只有一个分区包含根目录，系统最开始就要加载根目录到内存中，创建dentry，后续的访问也都是根据根目录文件的内容来逐渐建立dentry多叉树的。但是这就再次陷入了刚才的问题，因此就必须引入挂载的概念。

①进入分区

如果不能进入分区，这块分区相当于不可用，因为根目录所在分区不能直接访问其它分区，这会导致inode混乱。我们要如何进入一个分区？

我们已经知道路径访问文件的途中本质就是不断打开目录文件，那么我们是否可以将分区和目录文件联系起来呢？可以的，我们称为把一个分区挂载到目录上。什么意思呢？就是说当我们将一个分区挂载到目录上后，这个目录会特殊处理，当我们打开这个目录文件时，系统不会真的去打开这个目录文件，而是直接进入了挂载的分区的根目录。

我们可以查看磁盘的挂载情况（Mounted on），其中我们发现/dev/cda1挂载到了根目录下，这也就意味着当我们打开根目录时，会直接进入dev1分区的根目录。进一步讲，当系统启动时，就会将系统文件所在分区挂载到根目录下。当访问根目录时，理所应当的就进入了根目录分区了。

②被挂载的目录文件

我们可以很简单地认为被挂载的目录文件就是很普通的目录文件，它有实体、有大小、有属性、inode也没什么特别的。就是因为它被我们用分区挂载了，所以它被识别为了一个挂载点，当我们访问时系统会特殊处理，不进入目录文件，而是进入挂载分区的根目录。

通过上面的知识，我们可以知道我们所见的根目录其实也是被分区挂载了一次、跳转了的，实际上的根目录并不在任何分区里，只不过这里涉及到的内核最底层，我们了解即可

当被挂载后，原来的目录文件不会有任何影响，只不过我们没办法打开它了，因为系统相当于为这个目录文件做了掩护，针对挂载点特殊处理了。我们看似是访问了这个目录文件，实际上是访问到了另外一个分区的根目录。这也提醒我们最好使用空目录来挂载分区，因为挂载后原来目录的内容会被隐藏。当然如果我们取消挂载，这个目录文件的内容依然可以正常显示，不会受到任何影响。

（3）模拟创建分区

我们可以通过模拟创建一个分区来加深对挂载的认识

①创建特定大小的文件

我们先创建一个普通文件，用来模拟一个分区。这里介绍一个指令dd，它可以快速构建一个特定大小的文件。它的主要功能是块级别复制，也就是说它会直接按照硬盘的数据块（自己指定，不一定是4KB）复制数据，而不会兼顾文件系统。这就会导致不同文件系统之间使用dd会存在兼容性问题，因为不同文件系统的管理、解读数据方式不同。这也就意味着dd适合磁盘备份、启动盘备份等操作，文件级别的复制还是cp更合适。