Linux学习笔记——文件系统基础与根文件系统详解

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什么是文件系统？

文件系统（File System）是操作系统用于管理和存储数据的一种机制。它负责：

• 组织文件（比如目录结构）
• 保存文件（比如磁盘上的具体存储位置）
• 访问文件（比如读写权限、文件打开关闭等）

就好比我们在图书馆里找书，文件系统就像是图书馆的管理员和索引目录，帮我们高效查找、保存、组织信息。

常见的文件系统类型包括：

• FAT32：U盘常见格式，兼容性强
• NTFS：Windows系统常用
• ext3/ext4：Linux系统常用

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什么是根文件系统（Root File System）？

一句话理解：

根文件系统就是Linux启动后最先使用、最基本的那个文件系统，是所有文件和目录的“家”。

更详细地说：

根文件系统是内核启动后**第一个挂载（mount）**的文件系统，它的作用是支撑操作系统后续的运行，包括：

• 提供基础目录结构（如 /bin、/etc、/lib、/sbin、/dev 等）
• 提供启动脚本和初始化进程（如 init、inittab、rcS 脚本等）
• 提供运行基本命令所需的程序和动态库（如 ls、cd 等命令）

如果把内核比作发动机，那么根文件系统就像是车身结构和操作系统环境，它必须提供最基本的组件，才能让“车子真正跑起来”。

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根文件系统为什么重要？

我们来分几个角度解释它的重要性：

1. 启动依赖

内核启动之后，需要运行第一个用户空间进程——init，这个 init 程序必须在根文件系统中才能找到。

2. 提供根目录 /

整个 Linux 的文件系统是一个倒置的树形结构，根节点就是 /，所有文件和目录都从 / 出发。比如：

• /bin/ls：存放基本命令 ls
• /lib/ld-linux.so.3：动态链接器
• /etc/init.d/：启动服务脚本

没有根 /，整个目录体系就无法组织。

3. 支持挂载其他文件系统

Linux 支持挂载多个磁盘/分区作为子目录，比如：

• /home：单独挂载在另一分区
• /mnt/usb：挂载U盘

但是这些操作本身的逻辑和配置文件（如 /etc/fstab）就要放在根文件系统里。

4. 提供运行环境

命令行工具（如 ls, cd）、系统调用所依赖的库（如 libc.so）、shell 终端（如 bash 或 sh）都在根文件系统中。否则你输入命令也执行不了。

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嵌入式Linux中，根文件系统的作用更突出

在嵌入式设备中，内核与根文件系统通常是分开存储的：

• 内核（zImage/uImage）：负责硬件驱动、系统调度
• 根文件系统（rootfs）：负责提供用户空间运行环境

如果你下载了内核却没有对应的根文件系统，会出现提示“无法加载rootfs”，系统也就启动失败。

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根文件系统的组成结构

通常包含如下目录：

目录	含义
/bin	基本命令（二进制程序），如 ls, cp, mkdir
/sbin	系统管理员用命令，如 mount, reboot
/lib	程序运行所依赖的共享库，如 libc.so
/etc	系统配置文件，如 fstab, passwd
/dev	设备节点，如 tty, null
/proc	虚拟文件系统，内核和进程信息
/sys	与设备相关的内核信息
/tmp	临时文件目录
/root	超级用户的家目录
/home	普通用户家目录
/mnt	挂载点，临时挂载外部设备
/usr	用户软件目录
/var	可变数据，如日志文件

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可执行映像文件的结构

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什么是可执行映像文件？

可执行映像文件是指可以被操作系统装载并运行的程序文件。比如：

• Linux中的 a.out, hello
• Windows中的 .exe

Linux 系统中的可执行文件通常是 ELF 格式（Executable and Linkable Format）。

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可执行文件的组成部分

一个标准的可执行文件通常包含以下几个区域：

1. 代码段（.text）

• 存放程序的机器指令（也就是编译后的代码）
• 通常是只读的，防止程序被恶意修改
• 可以被多个程序共享加载（节省内存）

2. 数据段（.data）

• 存放已初始化的全局变量和静态变量
• 是可读写的，比如 int a = 10; 编译后就会进入数据段

3. BSS段（.bss）

• 存放未初始化的全局变量和静态变量
• 在程序运行前，这些变量会被自动初始化为0
• BSS不占据磁盘空间，只在内存中占用空间（更节省）

4. 堆（Heap）

• 程序运行时动态分配的内存区域（如使用 malloc()）
• 空间大小在运行时决定

5. 栈（Stack）

• 用于函数调用时保存局部变量、返回地址等
• 每个线程都有自己的栈，自动增长/收缩

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举个小例子说明：

#include <stdio.h>

int global_a = 10;         // .data段
static int static_b;       // .bss段
int main() {
    int local_var = 5;     // 栈
    int *heap_var = malloc(100); // 堆
    printf("Hello World\n"); // .text段
    return 0;
}

部分	内容
.text	main()、printf()的编译代码
.data	global_a = 10
.bss	static_b
栈	local_var
堆	heap_var = malloc()

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小结

名称	含义	是否可写
.text	代码段	否（只读）
.data	初始化的数据	是
.bss	未初始化的数据	是
Heap	动态分配区	是
Stack	函数调用用	是

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总结归纳

项目	说明
根文件系统	是Linux启动后的第一个文件系统，提供基本命令、库、脚本等，保障系统能运行
文件系统 vs 内核	文件系统是用户空间的“工具箱”，内核是操作系统的“核心引擎”
没有根文件系统	内核无法完成系统初始化，Linux系统无法运行
可执行文件组成	包括代码段、数据段、bss段、堆、栈等，各有不同用途和特性

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