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浅谈linux文件系统基础

1、Linux文件系统分配策略
块分配(block allocation)和扩展分配(extent allocation)

块分配:磁盘上的文件块根据需要分配给文件,避免了存储空间的浪费。但当文件扩充时,会造成文件中文件块的不连续,从而导致过多的磁盘寻道时间。每一次文件扩展时,块分配算法就需要写入文件块的结构信息,也就是 meta-dada 。meta-data总是与文件一起写入存储设备,改变文件的操作要等到所有meta-data的操作都完成后才能进行,因此,meta-data的操作会明显降低整个文件系统的性能。

扩展分配:文件创建时,一次性分配一连串连续的块,当文件扩展时,也一次分配很多块。meta-data在文件创建时写入,当文件大小没有超过所有已分配文件块大小时,就不用写入meta-data,直到需要再分配文件块的时候。扩展分配采用成组分配块的方式,减少了SCSI设备写数据的时间,在读取顺序文件时具有良好的性能,但随机读取文件时,就和块分配类似了。文件块的组或块簇 ( block cluster) 的大小是在编译时确定的。簇的大小对文件系统的性能有很大的影响。

注: meta-data 元信息:和文件有关的信息,比如权限、所有者以及创建、访问或更改时间等。

2、文件的记录形式
linux文件系统使用索引节点(inode)来记录文件信息。索引节点是一种数据结构,它包含了一个文件的长度、创建及修改时间、权限、所属关系、磁盘中的位置等信息。一个文件系统维护了一个索引节点的数组,每个文件或目录都与索引节点数组中的唯一的元素对应。每个索引节点在数组中的索引号,称为索引节点号。

linux文件系统将文件索引节点号和文件名同时保存在目录中,所以,目录只是将文件的名称和它的索引节点号结合在一起的一张表,目录中每一对文件名称和索引节点号称为一个连接。对于一个文件来说,有一个索引节点号与之对应;而对于一个索引节点号,却可以对应多个文件名。连接分为软连接和硬连接,其中软连接又叫符号连接。

硬连接:原文件名和连接文件名都指向相同的物理地址。目录不能有硬连接;硬连接不能跨文件系统(不能跨越不同的分区),文件在磁盘中只有一个拷贝。由于删除文件要在同一个索引节点属于唯一的连接时才能成功,因此硬连接可以防止不必要的误删除。

软连接:ln -s 命令建立文件的符号连接。符号连接是linux特殊文件的一种,作为一个文件,它的数据是它所连接的文件的路径名。没有防止误删除的功能。

3、文件系统类型

ext2:早期linux中常用的文件系统
ext3:ext2的升级版,带日志功能
RAMFS:内存文件系统,速度很快
NFS:网络文件系统,由SUN发明,主要用于远程文件共享
MS-DOS:MS-DOS文件系统
VFAT:Windows 95/98 操作系统采用的文件系统
FAT:Windows XP 操作系统采用的文件系统
NTFS:Windows NT/XP 操作系统采用的文件系统
HPFS:OS/2 操作系统采用的文件系统
PROC:虚拟的进程文件系统
ISO9660:大部分光盘所采用的文件系统
ufsSun:OS 所采用的文件系统
NCPFS:Novell 服务器所采用的文件系统
SMBFS:Samba 的共享文件系统
XFS:由SGI开发的先进的日志文件系统,支持超大容量文件
JFS:IBM的AIX使用的日志文件系统
ReiserFS:基于平衡树结构的文件系统
udf:可擦写的数据光盘文件系统

4、虚拟文件系统VFS
linux支持的所有文件系统称为逻辑文件系统,而linux在传统的逻辑文件系统的基础上增加料一个蓄念文件系统( Vitual file System ,VFS) 的接口层。虚拟文件系统(VFS) 位于文件系统的最上层,管理各种逻辑文件系统,并可以屏蔽各种逻辑文件系统之间的差异,提供统一文件和设备的访问接口。

5、文件的逻辑结构
文件的逻辑结构可分为两大类: 字节流式的无结构文件 和 记录式的有结构文件。由字节流(字节序列)组成的文件是一种无结构文件或流式文件 ,不考虑文件内部的逻辑结构,只是简单地看作是一系列字节的序列,便于在文件的任意位置添加内容。由记录组成的文件称为记录式文件 ,记录是这种文件类型的基本信息单位,记录式文件通用于信息管理。

6、文件类型
普通文件:通常是流式文件
目录文件:用于表示和管理系统中的全部文件
连接文件:用于不同目录下文件的共享
设备文件:包括块设备文件和字符设备文件,块设备文件表示磁盘文件、光盘等,字符设备文件按照字符操作终端、键盘等设备。
管道(FIFO)文件:提供进程建通信的一种方式
套接字(socket)文件:该文件类型与网络通信有关

7、文件结构:包括索引节点和数据
索引节点:
又称 I 节点,在文件系统结构中,包含有关相应文件的信息的一个记录,这些信息包括文件权限、文件名、文件大小、存放位置、建立日期等。文件系统中所有文件的索引节点保存在索引节点表中。
数据:文件的实际内容。可以是空的,也可以非常大,并且拥有自己的结构。

8、ext2文件系统
ext2文件系统的数据块大小一般为1024B、2048B或4096B
ext2文件系统采用的索引节点(inode):索引节点采用了多重索引结构,主要体现在直接指针和3个间接指针。直接指针包含12个直接指针块,它们直接指向包含文件数据的数据块,紧接在后面的3个间接指针是为了适应文件的大小变化而设计的。

假设数据块大小为1024B,利用12个直接指针,可以保存最大为12KB的文件,当文件超过12KB时,则要利用单级间接指针,该指针指向的数据块保存有一组数据块指针,这些指针依次指向包含有实际数据的数据块,假如每个指针占用4B,则每个单级指针数据块可保存 1024/4=256 个数据指针,因此利用直接指针和单级间接指针可保存 1024*12+1024*256=268 KB的文件。当文件超过268KB时,再利用二级间接指针,直到使用三级间接指针。

利用直接指针、单级间接指针、二级间接指针、三级间接指针可保存的最大文件大小为:
1024*12+1024*256+1024*256*256+1024*256*256*256=16843020 KB,约 16GB
若数据块大小为2048B,指针占4B,则最大文件大小为:2048*12+2048*512+2048*512*512+2048*512*512*512=268,960,792 KB 约268GB
若数据块大小为4096B,指针占4B,则最大文件大小为:4096*12+4096*1024+4096*1024*1024+4096*1024*1024*1024=4,299,165,744 KB 约4TB
注:命令 tune2fs -l /dev/sda5 可查看文件系统

ext2文件系统最大文件名长度:255个字符
ext2文件系统的缺点:ext2在写入文件内容的同时并没有同时写入文件meta-data,其工作顺序是先写入文件的内容,然后等空闲时候才写入文件的meta-data。若发生意外,则文件系统就会处于不一致状态。在重新启动系统的时候,linux会启动fsk( file system check)的程序,扫描整个文件系统并试图修复,但不提供保证。

9、ext3文件系统
ext3基于ext2的代码,所以磁盘格式与ext2相同,使用相同的元数据。
ext2文件系统无损转化为ext3文件系统:tune2fs -j /dev/sda6

日志块设备( Journaling block device layer,JBD)完成ext3文件系统日志功能。JBD不是ext3文件系统所特有的,它的设计目标是为了向一个块设备添加日志功能。当一个文件修改执行时,ext3文件系统代码将通知JBD,称为一个事务(transaction)。发生意外时,日志功能具有的重放功能,能重新执行中断的事务。
   
日志中的3种数据模式:
1)、data=writeback:不处理任何形式的日志数据,给用户整体上的最高性能
2)、data=odered:只记录元数据日志,但将元数据和数据组成一个单元称为事务(transaction)。此模式保持所句句的可靠性与文件系统的一致性,性能远低于data=writeback模式,但比data=journal模式快
3)、data=journal:提供完整的数据及元数据日志,所有新数据首先被写入日志,然后才被定位。意外发生过后,日志可以被重放,将数据与元数据带回一致状态。这种模式整体性能最慢,但数据需要从磁盘读取和写入磁盘时却是3种模式中最快的。
   
ext3文件系统最大文件名长度: 255个字符
ext3文件系统的优点:可用性、数据完整性、速度、兼容性

10、ReiserFS文件系统
ReiserFS文件系统是由Hans Reiser和他领导的开发小组共同开发的,整个文件系统完全是从头设计的,是一个非常优秀的文件系统。也是最早用于Linux的日志文件系统之一。

ReiserFS的特点
先进的日志机制:ReiserFS有先进的日志(Journaling/logging)功能 机制。日志机制保证了在每个实际数据修改之前,相应的日志已经写入硬盘。文件与数据的安全性有了很大提高。

高效的磁盘空间利用:Reiserfs对一些小文件不分配inode。而是将这些文件打包,存放在同一个磁盘分块中。而其它文件系统则为每个小文件分别放置到一个磁盘分块中。

独特的搜寻方式:ReiserFS基于快速平衡树(balanced tree)搜索,平衡树在性能上非常卓越,这是一种非常高效的算法。ReiserFS搜索大量文件时,搜索速度要比ext2快得多。Reiserfs文件系统使用*Tree存储文件,而其它文件系统使用B+Tree树。B*Tree查询速度比B+Tree要快很多。Reiserfs在文件定位上速度非常快。在实际运用中,ReiserFS 在处理小于 4k 的文件时,比ext2 快 5 倍;带尾文件压缩功能(默认)的ReiserFS 比ext2文件系统多存储6%的数据。

支持海量磁盘:ReiserFS是一个非常优秀的文件系统,一直被用在高端UNIX系统上,可轻松管理上百G的文件系统,ReiserFS文件系统最大支持的文件系统尺寸为16TB。这非常适合企业级应用中。

优异的性能:由于它的高效存储和快速小文件I/O特点,使用ReiserFs文件系统的PC,在启动X窗口系统时,所花的时间要比在同一台机器上使用ext2文件系统少1/3。另外,ReiserFS文件系统支持单个文件尺寸为4G的文件,这为大型数据库系统在linux上的应用提供了更好的选择。

——本文转载自互联网,linuxde整理

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