磁盘、分区、文件系统

一：磁盘

        物理上来说，硬盘主要由若干盘片、机械手臂、读写磁头与主轴马达组成。盘片表面涂以磁性介质，用以存储数据。每个盘片有两面，都可记录信息。而读写主要是透过在机械手臂上的读写磁头来达成。实际运作时，主轴马达让盘片转动，然后机械手臂可伸展使磁头到达指定的位置，在盘片上进行读写动作。每个盘片有两个面，每个面都有一个磁头，

 

        逻辑上来说，又有磁道(track)、扇区(Sector)和柱面(Cylinder)的概念：

        当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在磁盘表面划出一个圆形轨迹，这些圆形轨迹就叫做磁道(track)。这些磁道用肉眼是看不到的，磁盘上的信息便是沿着这样的轨道存放的。

        盘片上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段便是磁盘的扇区，每个扇区存放512个字节的信息，磁盘驱动器在向磁盘读取和写入数据时，都是以扇区为单位。

        柱面：磁盘通常由一组盘片构成，不同盘片相同半径的磁道所组成的圆柱称为柱面。每个盘面都被划分为数目相等的磁道，并从外缘的“0”开始编号。磁道与柱面都是表示不同半径的圆，在许多场合，磁道和柱面可以互换使用。

        如下图所示：

        通过以上这些参数可以得到硬盘的容量，基计算公式为：存储容量＝磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每扇区字节数 

 

        注意：早期的磁盘，每个磁道上的扇区数目是一样的，如下图所示：

        越往外，扇区的面积也就越大。每个扇区的数据量是相同的，都是512字节。所以，外面扇区的数据密度低，里边扇区的数据密度高。

        但是这样在外围扇区上，就浪费了大量面积，限制了磁盘的容量。后来为了增大磁盘容量，采用了线性寻址的新技术。每个磁道上扇区数变得不一样了,越往外磁道的扇区数目越多。现在的磁道扇区数目是一个换算平均值。如下图：

 

        另外：当向硬盘中写入数据时，是先写入最外层的磁道，写满所有扇区之后，在向内层磁道写入。这就是为什么硬盘用久了，读写速度会变慢的原因。因为同样的角速度下，线速度越往外越快。

        同样的时间，磁头在外面磁道可以扫过10个扇区的面积，读写10个扇区的数据，但在里面的磁道只能扫过1个扇区的面积，读写1个扇区的扇区。所以，此时可以做磁盘整理或者格式化，这样外面的磁道得到试用。

 

二：分区

        主引导记录（Master Boot Record，MBR），又叫做主引导扇区，是计算机开机后访问硬盘时所必须要读取的首个扇区，它存储在0号盘面的0号磁道的1号扇区上。系统在启动时主动去读取这个区块的内容，这样系统才会知道你的程序放在哪里且该如何进行启动。

        在总共512字节的扇区中，MBR只占用了其中的446个字节，另外的64个字节记录了硬盘分区表（Disk Partition Table，DPT），最后两个字节“55”和“AA”，是分区的结束标志。它们共同组成了硬盘的主引导扇区。

 

        64字节的硬盘分区表可以保存四个分区的信息，因此，所谓的“分区”，只是针对这64字节的分区表进行配置而已！

        每个分区的信息占16个字节，其中记录了该分区开始和结束的磁道（柱面）号。也就是说，分区的最小单位是磁道（柱面）。这4个分区，可以称为主要分区或扩展分区。

        所以对于采用MBR型分区结构的硬盘，最多只能识别4个主要分区。如果需要得到更多的分区，就需要使用扩展分区。扩展分区也是主要分区的一种，但它与主要分区的不同在于，扩展分区可以划分为无数个逻辑分区。

 

        在Linux系统中，分区命名为sda1－sda4或者hda1－hda4（其中a表示硬盘编号可能是a、b、c等等）。在MBR硬盘中，分区号1－4是主分区（或者扩展分区），逻辑分区号只能从5开始。

        在MBR分区表中，一个分区最大的容量为2T，且每个分区的起始柱面必须在这个disk的前2T内。若有一个3T的硬盘，根据要求至少要把它划分为2个分区，且最后一个分区的起始扇区要位于硬盘的前2T空间内。如果硬盘太大则必须改用GPT分区方式。

        GPT磁盘分区样式支持最大分区为128 EB（Exabytes），并且磁盘的分区数没有上限，只受到操作系统限制。

 

三：文件系统

        磁盘分区完毕后还需要进行格式化，之后操作系统才能够使用这个分区。因为每种操作系统所配置的文件属性/权限并不相同，为了存放这些文件所需的数据，因此需要将分区进行格式化，以成为操作系统能够利用的文件系统格式。

        因此，每种操作系统能够使用的文件系统并不相同。比如：Windows使用NTFS文件系统，Linux使用ext4文件系统等。默认的情况下，Windows系统不会识别 Linux的Ext4的。

 

1：inode、block、硬链接、软链接

        一般而言，一个分区只能够被格式化成为一个文件系统。

        在Linux的文件系统中，除了文件的实际内容外，还包含很多文件属性，如文件权限、所有者、创建时间、修改时间、文件大小等。通常会将文件内容和文件属性两部份的数据分别存放在不同的区域。文件属性放置到 inode 中，实际数据则放置到block中。

        另外，还有一个super block会记录整个文件系统的整体信息，比如inode和data block 的总量、使用量、剩余量，以及文件系统的格式与相关信息等。

 

        每个inode与block都有编号。一个文件占用一个inode。除了记录文件属性之外，inode中还记录此文件的数据所在的block号； block存储文件的实际内容，每个block 内最多只能够放置一个文件的数据；若文件太大，会占用多个block。

        如下图所示，文件系统先格式化出inode与block的区块，假设某一个文件的属数据放置在4号inode 内，而这个inode记录了文件数据的实际放置点为2,7,13,15这四个block中。这种数据存取的方法称为索引式文件系统(indexed allocation)，Linux的文件系统就采用这种方式：

 

        文件系统一开始就将 inode 与 block 规划好了，除非重新格式化(或者利用 resize2fs 等命令变更文件系统大小)，否则 inode 与 block 固定后就不再变动。

        另外，文件系统在格式化的时候基本上是分为多个柱面组的，每个柱面组都有独立的 inode/block/superblock 系统。

 

        而且，还有一个block bitmap (区块对照表)，该表记录了block的状态，比如哪些block是未使用的，哪些是已使用的。inode同样有一个记录inode状态的inodemap，记录那些inode是未使用的。

        每个区段与 super block 的信息都可以使用 dumpe2fs 这个命令来查询！

 

        如下图，表示一个分区的结构图：

 

        inode是固定长度的记录项，包含文件的大部分信息。

        另外，当创建一个目录时，会分配一个inode与至少一块block给该目录。其中，inode 记录该目录的相关权限与属性，并记录该目录分配到的那块block号码；而block则是记录，在这个目录下的，所有文件的文件名，以及该文件的inode号。结构图如下：

        目录的block存储目录项，目录项包含该目录下，所有文件的文件名和inode号。通过inode号，就可以得到该文件的实际内容。

        上图中，有两个目录项指向同一个inode。每个inode都有一个链接计数，其值是指向该inode的目录项数。只有当链接计数为0时，才可以删除文件。

        这也是硬链接的基本原理。多个目录项对应到同一个 inode 号上，就是硬链接了。因此，一般来说，使用硬链接，磁盘的空间与inode的数目都不会改变！硬链接的限制有：不能跨文件系统；不能链接目录。

 

        而软链接，就是在创建一个独立的文件，该文件的实际内容（数据块）中，包含了它所指向的文件的名字。

        使用ln命令，可以创建硬链接或软链接。

 

2：挂载

        Linux内的所有数据都是以文件的形态来呈现的，所有文件组成一个树状的层次结构，该结构以”/”为根目录。如下图所示：

 

        这种树状层次结构，是如何与硬盘内的数据结合呢？这就是“挂载”(mount)了。

 

        所谓的“挂载”，就是用一个目录作为进入点，将磁盘分区的数据放置在该目录下；也就是说，进入该目录就可以读取该分区的内容。这个动作称为“挂载”，进入点的目录称为“挂载点”。

        整个Linux系统最重要的是根目录，因此根目录一定需要挂载到某个分区。其他的目录则可依需求，挂载到不同的分区。如下图：

 

四：命令

        针对一个全新的硬盘，需要采取以下动作才能使用：

        a：对磁盘进行分区；

        b：对该分区进行格式化，以创建系统可用的文件系统；

        c：若想要仔细一点，则可对刚刚创建好的文件系统进行检验；

        d：在 Linux 系统上，创建挂载点，并将文件系统挂载上来；

 

1：分区

        fdisk命令用于对磁盘进行分区操作，比如列出磁盘分区信息，增加分区，删除分区等。

        通过fdisk -l命令，可以列出所有的磁盘信息；若要针对某块磁盘操作，则直接在fdisk后跟磁盘名即可：

# fdisk /dev/hdcThe number of cylinders for this disk is set to 5005.There is nothing wrong with that, but this is larger than 1024,and could in certain setups cause problems with:1) software that runs at boot time (e.g., old versions of LILO)2) booting and partitioning software from other OSs   (e.g., DOS FDISK, OS/2 FDISK)Command (m for help):  

        注意，fdisk后跟的是磁盘名，而非分区名， 因此在/dev/hdc后无需加数字，否则会出错。    输入m后，可以列出所有帮助信息。

Command (m for help): m   <== 输入 m 后，就会看到底下这些命令介绍Command action   a   toggle a bootable flag   b   edit bsd disklabel   c   toggle the dos compatibility flag   d   delete a partition            <==删除一个partition   l   list known partition types   m   print this menu   n   add a new partition           <==新增一个partition   o   create a new empty DOS partition table   p   print the partition table     <==在屏幕上显示分割表   q   quit without saving changes   <==不储存离开fdisk程序   s   create a new empty Sun disklabel   t   change a partition's system id   u   change display/entry units   v   verify the partition table   w   write table to disk and exit  <==将刚刚的动作写入分割表   x   extra functionality (experts only)

2：格式化

        mkfs命令用来对分区进行格式化。该命令实际上是一个命令集合：

root@ubuntuhh:~# mkfs[Tab][Tab]mkfs          mkfs.cramfs   mkfs.ext3     mkfs.ext4dev  mkfs.minix    mkfs.ntfs     mkfs.bfs      mkfs.ext2     mkfs.ext4     mkfs.fat      mkfs.msdos    mkfs.vfat 

        使用mkfs -t ext3，实际上调用的是mkfs.ext3

 

3：挂载

        mount命令就是用于将文件系统挂载到树状层级结构中，而umount命令则相反，用于解除挂载。

        mount的标准用法是：mount –t type device dir

        该命令，将类型为type，device上的文件系统，attach到dir上。dir之前的内容、拥有者以及访问模式等都不再可见。

 

        自Linux2.4.0开始，允许将某些目录remount到其他目录上：mount--bind olddir newdir。执行上述命令后，同样的内容会出现在两个目录上，比如：

[root@hh ~]# mount --bind / /root/testdir2[root@hh ~]# ls /root/testdir2bin     data  lib         misc  proc                salt-syndic.log  sys  zabbixboot    dev   lib64       mnt   redis-3.0.5         sbin             tmpcache   etc   lost+found  net   redis-3.0.5.tar.gz  selinux          usrcgroup  home  media       opt   root                srv              var

        可见/root/testdir2的内容跟/一样了。甚至可以将单个文件remount到单个文件上。

[root@hh testdir]# touch 1.txt[root@hh testdir]# touch 2.txt[root@hh testdir]# mount --bind 1.txt 2.txt[root@hh testdir]# echo "hello, world" > 1.txt [root@hh testdir]# cat 2.txt hello, world

        此时查看mount的输出：

[root@hh testdir]# mount/dev/mapper/vg_hh-lv_root on / type ext4 (rw)proc on /proc type proc (rw)sysfs on /sys type sysfs (rw)devpts on /dev/pts type devpts (rw,gid=5,mode=620)tmpfs on /dev/shm type tmpfs (rw,rootcontext="system_u:object_r:tmpfs_t:s0")/dev/sda1 on /boot type ext4 (rw)none on /proc/sys/fs/binfmt_misc type binfmt_misc (rw).host:/ on /mnt/hgfs type vmhgfs (rw,ttl=1)vmware-vmblock on /var/run/vmblock-fuse type fuse.vmware-vmblock (rw,nosuid,nodev,default_permissions,allow_other)/ on /root/testdir2 type none (rw,bind)/root/testdir/1.txt on /root/testdir/2.txt type none (rw,bind)

        但是，--bind只能处理单一文件系统，也就是说，如果olddir中的子目录存在submount的情况，则bind不会连同submount一起bind。比如，在上面例子的情况下：

[root@hh ~]# df -hFilesystem                 Size  Used Avail Use% Mounted on/dev/mapper/vg_hh-lv_root   27G  8.8G   17G  36% /tmpfs                      747M   72K  747M   1% /dev/shm/dev/sda1                  485M   63M  397M  14% /boot.host:/                    201G  105G   96G  53% /mnt/hgfs [root@hh ~]# ll testdir2/boottotal 0[root@hh ~]# ls /bootconfig-2.6.32-431.el6.x86_64         initramfs-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64.img  System.map-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64config-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64   lost+found                                 vmlinuz-2.6.32-431.el6.x86_64efi                                  symvers-2.6.32-431.el6.x86_64.gz           vmlinuz-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64grub                                 symvers-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64.gz

        可见，/boot中的内容，并没有mount到/root/testdir2/boot目录下。如果希望submount一起挂载的情况，可以使用--rbind选项：

[root@hh ~]# umount /root/testdir2[root@hh ~]# ll testdir2total 0[root@hh ~]# mount --rbind / /root/testdir2[root@hh ~]# ls /root/testdir2bin     data  lib         misc  proc                salt-syndic.log  sys  zabbixboot    dev   lib64       mnt   redis-3.0.5         sbin             tmpcache   etc   lost+found  net   redis-3.0.5.tar.gz  selinux          usrcgroup  home  media       opt   root                srv              var[root@hh ~]# ls /root/testdir2/bootconfig-2.6.32-431.el6.x86_64         initramfs-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64.img  System.map-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64config-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64   lost+found                                 vmlinuz-2.6.32-431.el6.x86_64efi                                  symvers-2.6.32-431.el6.x86_64.gz           vmlinuz-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64grub                                 symvers-3.8.13-16.2.1.el6uek.x86_64.gzinitramfs-2.6.32-431.el6.x86_64.img  System.map-2.6.32-431.el6.x86_64

        可见，/boot已经mount到/root/testdir2/boot下了。

 

        自linux2.5.1开始，允许将一个mount点移动到其他地方，使用以下命令即可：mount--move olddir newdir

        proc文件系统不与任何设备关联，当挂载它时，可以指定任意字符串，比如proc，来表示一个设备。（不要使用none，否则umount时可能会有歧义）。

 

        umount命令用于detach设备上的文件系统与树状文件层级的关联。可以通过文件系统的mount点，除了当该设备mount到多个目录上时，也可以通过给定设备来执行mount。

 

4：/etc/fstab和/etc/mtab

        系统启动时，会根据/etc/fstab文件进行挂载。

        /etc/fstab文件记录了各种文件系统的信息，每一行描述了一个文件系统。行中的字段以tabs或者空格进行分隔。以’#’开头的行是注释行。该文件中的行顺序很重要，因为fsck、mount和umount命令都是顺序遍历该文件进行工作的。

        第一个字段，表示设备；第二个字段表示文件系统的mount点；第三个字段表示文件系统的类型；第四个字段表示文件系统的挂载选项；第五个字段用于dump命令，判断该文件系统是否需要dump，如果该字段为0，则表示无需dump；第六个字段用于fsck命令，决定在系统启动时文件系统的检查顺序。

 

        文件/etc/fstab中，每行描述了哪些设备，使用什么选项，mount到哪个目录上。该文件通常用在以下三种场景下：

        a：命令mount -a[-t type] [-O optlist]，该命令会根据fstab文件中（合适的type，或者options）中的内容，进行mount，除了那些包含noauto关键字的行。使用-F选项，可以使得mount并行处理。

        b：当用mount命令，处理在fstab中记录的某个文件系统时，可以仅给出设备，或者挂载点即可。

        c：一般情况下，只有超级用户可以mount文件系统，但是，如果fstab文件中的某行包含user选项，则任何用户可以挂载相应的文件系统。

        因此，比如文件中有内容：/dev/cdrom  /cd  iso9660 ro,user,noauto,unhide，则任何用户都可以将CDROM中上的iso9660文件系统进行挂载，直接使用以下命令即可：mount  /dev/cdrom       或      mount  /cd

        只有执行mount的用户才可以进行umount，如果希望所有用户都可以umount则可以在fstab中，使用users来代替user。

 

        mount和umount在文件/etc/mtab中，维护当前挂载的文件系统情况。如果mount命令不加任何参数，则该命令会打印出该文件中内容。

 

参考：

http://vbird.dic.ksu.edu.tw/linux_basic/0230filesystem_3.php

http://blog.csdn.net/badbad_boy/article/details/4313645

https://www.zhihu.com/question/20537787

http://vbird.dic.ksu.edu.tw/linux_basic/0230filesystem_1.php