Linux核心技术：Linux文件系统与bootFS/rootFS

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本文是 Linux核心技术 系列文章：Linux文件系统与bootFS/rootFS，主要讲解了文件系统的概念、linux文件系统的设计、linux标准目录、什么是挂载、linux的bootFS与rootFS等

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1.Linux文件系统

1.1.什么是文件系统？

1.1.1.文件系统的本质

• 想象你有一个大仓库（硬盘），里面堆满了各种货物（数据）。如果没有明确的分类和标签，你根本找不到想要的东西。
• 文件系统（File System）就是管理这些数据的“仓库管理员”，负责：
  • 存储：数据放在哪里
  • 查找：如何快速找到数据
  • 保护：防止数据被随意修改
  • 组织：目录结构、权限控制

1.1.2.为什么需要文件系统？

• 原始硬盘只是一堆0和1：没有结构，无法直接使用
• 解决核心问题：
  • 如何区分不同类型的数据（文本、图片、程序）？
  • 如何保证数据不丢失、不被随意覆盖？
  • 如何让多个程序同时安全地读写数据？

1.2.Linux文件系统的设计哲学

1.2.1.“一切皆文件”（Everything is a File）

• 这是Linux最独特的设计思想！

  • 普通文件：你创建的文档、图片
  • 目录：存放文件的“文件夹”
  • 硬件设备：键盘、鼠标、U盘（比如 /dev/sda 表示硬盘）
  • 进程信息：运行中的程序状态（比如 /proc/1234 表示PID为1234的进程）
  • 网络连接：甚至可以通过文件操作网络（比如 /dev/tcp）

• 设计原因：

  • 统一操作接口！无论操作什么，都可以用 open()、read()、write() 等相同函数处理，极大简化了系统设计。

1.2.2.树形目录结构

• Linux的目录像一棵倒挂的树，根目录（/）是起点：

  /
  ├── bin   → 基础命令（如ls, cp）
  ├── etc   → 配置文件
  ├── home  → 用户的家目录
  ├── dev   → 设备文件
  ├── tmp   → 临时文件
  └── ...
  

• 为什么这样设计？
  • 标准化：所有Linux系统目录结构一致，方便软件开发和维护
  • 隔离性：系统文件（/bin）和用户文件（/home）分开，避免误操作

1.3.文件系统的核心概念详解

1.3.1. 文件类型

• Linux有7种文件类型（用 ls -l 查看第一个字符）：

  类型符号	说明	例子
  -	普通文件	.txt、.jpg
  d	目录（文件夹）	/home
  l	符号链接（快捷方式）	/usr/bin/python → python3
  c	字符设备（键盘、终端）	/dev/tty
  b	块设备（硬盘、U盘）	/dev/sda
  s	套接字（网络通信）	/run/docker.sock
  p	管道（进程间通信）	无具体路径

• 设计原因：用统一的方式管理所有资源，比如读写硬件就像读写普通文件！

1.3.2.Inode：文件的“身份证”

• 每个文件对应一个唯一的inode，存储元数据：
  • 文件大小、权限、所有者、时间戳
  • 数据在硬盘上的物理位置
  • 但不存储文件名！
• 查看inode：ls -i filename
• 为什么需要inode？
  • 想象图书馆每本书有一个唯一编号（inode），而书名可以随意修改（文件名）。这样即使重命名文件，系统也能快速找到数据位置。

1.3.3.硬链接 vs 软链接

	硬链接（Hard Link）	软链接（Symbolic Link）
本质	直接指向inode	独立文件，存储目标路径
特点	不能跨文件系统，删除源文件仍可访问	可以跨文件系统，源文件删除后失效
创建命令	ln source.txt hardlink	ln -s source.txt softlink
类比	同一本书的两个不同书名	书架的便签条，指向另一本书

• 设计原因：硬链接节省空间（不重复存储数据），软链接更灵活（可跨设备）。

1.4.目录结构的秘密

1.4.1.目录完整分类表

类别	目录	作用	特点	关键文件/功能	示例
系统核心	/	所有目录的起点	不可直接存储文件	仅包含子目录	无
系统核心	/bin	基础系统命令（所有用户可用）	单用户模式可用、静态可执行文件	ls, cp, bash, rm	系统修复时使用的核心命令
系统核心	/boot	系统启动文件	只读、关键启动文件	内核文件 vmlinuz-*, 引导加载程序（GRUB）	/boot/grub/grub.cfg
硬件设备	/dev	设备文件接口	动态生成、无实际大小	/dev/sda（硬盘）, /dev/tty（终端）, /dev/null（黑洞设备）	通过 mknod 创建设备文件
配置管理	/etc	系统级配置文件	纯文本配置、禁止可执行文件	/etc/passwd（用户信息）, /etc/fstab（挂载表）, /etc/ssh/sshd_config	Nginx 配置 /etc/nginx/nginx.conf
用户数据	/home	普通用户私有目录	用户自主管理、权限隔离	用户配置文件（~/.bashrc）, 个人文档	/home/alice/Documents
系统库	/lib	32位系统库文件	系统运行依赖库	C 标准库 libc.so.6, 内核模块 /lib/modules/	驱动程序模块 /lib/modules/5.15.0-78-generic/kernel/
系统库	/lib64	64位系统库文件	64位系统专用	同 /lib	仅存在于64位系统
存储挂载	/media	自动挂载可移动设备	用户友好访问点	自动挂载的U盘、光盘	插入U盘后自动挂载到 /media/MyUSB
存储挂载	/mnt	临时手动挂载点	管理员临时挂载	手动挂载的NFS共享或硬盘分区	sudo mount /dev/sdb1 /mnt
第三方软件	/opt	独立商业软件安装目录	自包含软件包	大型商业软件、独立发行程序	/opt/google/chrome, /opt/oracle/, /opt/cni
系统信息	/proc	实时进程与内核信息	虚拟文件系统、动态更新	/proc/cpuinfo（CPU信息）, /proc/[PID]/（进程详情）	查看内存使用：cat /proc/meminfo
特权隔离	/root	管理员家目录	仅root可访问	root用户的配置文件	/root/.ssh/
运行时数据	/run	系统运行时临时文件	内存驻留、重启消失	进程PID文件、套接字文件	/run/sshd.pid, /run/docker.sock
系统管理	/sbin	系统管理命令	需root权限执行	fdisk（磁盘分区）, iptables（防火墙）, reboot（重启）	系统维护工具
服务数据	/srv	服务相关数据	明确服务归属	Web服务内容、FTP数据	/srv/http/（网站根目录）, /srv/ftp/
硬件管理	/sys	内核设备与参数管理	虚拟文件系统、硬件调控接口	/sys/class/net/（网络接口）, /sys/devices/（设备树）	调整CPU频率：/sys/devices/system/cpu/
临时存储	/tmp	临时文件存储	全局可写、定期清理	应用程序临时文件	浏览器缓存文件 /tmp/chromium-xxxxx
用户程序	/usr	用户级程序与资源	只读、跨系统共享	/usr/bin（用户命令）, /usr/lib（库文件）, /usr/share（共享数据）	Python解释器 /usr/bin/python3
动态数据	/var	可变数据存储	持续增长、需要定期维护	/var/log（日志）, /var/lib（数据库）, /var/cache（缓存）	MySQL数据文件 /var/lib/mysql/
文件恢复	/lost+found	文件系统修复残留文件	仅ext3/4文件系统存在	fsck 修复后的文件碎片	系统崩溃后恢复的碎片文件
软件包管理	/snap	Snap软件包存储（Ubuntu专用）	容器化软件包	Snap应用文件	/snap/chromium/

1.4.2.为什么需要这么多目录？

• 安全性：系统文件（/bin）和用户文件（/home）隔离，避免误删
• 可维护性：日志单独放在/var/log，方便查找和管理
• 标准化：所有Linux发行版目录结构一致，软件兼容性更好

1.5.权限管理：保护你的数据

1.5.1.文件权限的三组角色

• 所有者（Owner）：文件的主人
• 所属组（Group）：一组用户的集合
• 其他人（Others）：既不是主人，也不在组里

1.5.2.权限类型

符号	权限	对文件的影响	对目录的影响
r	读	可以查看文件内容	可以列出目录中的文件
w	写	可以修改文件内容	可以创建/删除目录中的文件
x	执行	可以运行程序（如脚本）	可以进入目录（比如cd命令）

• 示例：-rwxr-xr-- 表示：
  • 第一位：文件类型
  • 所有者有读、写、执行权限
  • 所属组有读、执行权限
  • 其他人只有读权限

1.5.3.为什么需要权限？

• 多用户系统：Linux设计初衷是多人同时使用服务器，必须防止用户互相干扰
• 系统安全：关键系统文件（如/etc/passwd）不能被随意修改

1.6.挂载（Mount）：扩展你的存储空间

1.6.1.什么是挂载？

• 把U盘插入电脑后，Linux不会自动显示文件。你需要将设备关联到一个目录（挂载点），才能访问其中的数据。

• 操作示例：

  # 创建挂载点
  sudo mkdir /mnt/usb# 挂载U盘（假设设备是/dev/sdb1）
  sudo mount /dev/sdb1 /mnt/usb# 访问U盘内容
  ls /mnt/usb# 卸载
  sudo umount /mnt/usb
  

1.6.2.为什么需要挂载？

• 灵活性：可以动态连接/断开存储设备
• 统一访问：所有存储设备都通过目录访问，无需关心物理位置

1.7.动手实验：加深理解

1.7.1.查看文件inode

touch test.txt          # 创建文件
ls -i test.txt         # 查看inode号
stat test.txt          # 显示详细元数据

1.7.2.理解软硬链接

echo "Hello" > original.txt
ln original.txt hardlink      # 创建硬链接
ln -s original.txt softlink  # 创建软链接# 删除原文件后观察区别
rm original.txt
cat hardlink   # 仍然能读取内容
cat softlink   # 报错"文件不存在"

2.Linux 的 bootFS 和 rootFS

• Linux系统，一般会包含两个文件系统fs
  • Bootfs，其中有一个Bootloader，在机器启动时负责引导加载kernel。当kernel加载到内存后，会把bootfs umount掉，相当于卸载
  • 然后再去加载rootfs，即各种标准目录。linux不同发型版，rootfs可能有些差异，但bootfs(kernel)基本一致

2.1.核心概念对比

特性	bootFS	rootFS
全称	Boot File System（引导文件系统）	Root File System（根文件系统）
作用阶段	系统启动阶段	系统运行阶段
核心内容	内核（Kernel）、initramfs/initrd	操作系统根目录（/bin, /etc, /usr 等）
存储位置	独立分区（如 /boot）或内存	磁盘分区（如 /）或容器镜像层
生命周期	临时加载，启动完成后卸载	持久存在，系统运行时持续使用
典型大小	较小（几十MB到几百MB）	较大（几GB到几十GB）

2.2.bootFS详解

2.2.1.核心组件

• 内核（Kernel）：
  • Linux 系统的核心，负责硬件管理和进程调度。文件通常命名为 vmlinuz-<版本>。
  • 系统启动成功后，还能在/boot中看到内核文件，比如：我当前的系统即为 5.4.241-1-tlinux4-0017.4 内核版本

    [root@VM-226-235-tencentos /opt]# ll /boot/vmlinuz-5.4.241-1-tlinux4-0017.4
    -rw-r--r-- 1 root root 9160864 Oct  7  2023 /boot/vmlinuz-5.4.241-1-tlinux4-0017.4
    

    • 5：主版本号（重大功能更新）
    • 4：次版本号（新增功能）
    • 241：修订号（错误修复）
    • 1：发行版定制补丁次数
    • tlinux4：内核类型，tencentOS-linux
• initramfs/initrd：
  • 临时根文件系统（Initial RAM File System），包含启动阶段必需的驱动和工具。
    • initramfs：基于 cpio 格式，直接嵌入内核（现代系统使用）
    • initrd：独立加载的磁盘映像（旧系统使用）

2.2.2.启动流程中的角色

1. BIOS/UEFI 加载引导程序（如 GRUB）
2. 引导程序 加载 bootFS 中的内核和 initramfs
3. 内核 解压 initramfs 到内存，挂载为临时根文件系统
4. initramfs 中的脚本执行以下操作：
   • 加载硬件驱动（如磁盘控制器、文件系统驱动）
   • 挂载真正的 rootFS
   • 切换根目录到 rootFS
5. 卸载 bootFS，进入系统正常运行阶段

2.2.3.设计意义

• 硬件兼容性：允许在挂载真实根文件系统前加载必要驱动
• 灵活性：支持加密根文件系统、网络挂载等复杂场景
• 轻量化：避免将全部驱动编译进内核

2.3.rootFS详解

2.3.1.核心组成

目录	作用	是否必需
/bin	基础命令（如 ls, bash）	是
/etc	配置文件	是
/lib	共享库文件	是
/dev	设备文件	内核自动生成
/proc	进程与内核信息	虚拟文件系统
/usr	用户级程序与资源	否（可网络挂载）
/var	可变数据（日志、缓存等）	否

2.3.2.运行时的角色

• 进程树起点：所有进程的父进程（如 systemd 或 init）从 rootFS 启动
• 环境隔离：chroot 操作基于 rootFS 实现环境隔离
• 容器基础：Docker 镜像本质上是裁剪版的 rootFS

2.3.3.rootFS 的类型

类型	描述	应用场景
磁盘 rootFS	存储在硬盘分区的传统根文件系统	物理机/虚拟机
内存 rootFS	完全载入内存的临时文件系统	救援模式、Live CD
容器 rootFS	每个容器都有自己独立的rootFS，与主机分离	Docker/容器运行时

2.4.理解Docker容器的bootFS与rootFS

2.4.1.Docker容器与传统Linux系统的 关键差异

组件	传统 Linux 系统	Docker 容器
bootFS	必需（包含内核）	不需要（复用宿主机内核）
rootFS	完整操作系统文件	裁剪版（仅包含应用所需文件）

• docker容器
  • docker容器本质上就是运行在宿主机上的一个进程，只不过通过namespace、cgroups等技术将之隔离成一个独立的环境。但它依旧只是一个进程而已
  • 作为一个进程，docker容器不需要自行加载kernel，所以不需要bootFS，只需要自己运行的 rootFS 即可
• 传统Linux系统/虚拟机
  • 本质上是一个完整独立的linux系统，所以需要从头开始启动linux系统，需要bootFS

2.4.2.怎么在主机上查看docker的rootFS？

• 在主机上，找到容器的进程pid，即可在/proc/${pid}中看到这个进程相关的数据，其中 /root目录一般就是容器的 rootFS
• 与进入容器ls查看到的目录和文件是一样的

  # 宿主机
  ls /proc/${pid}/root# 
  docker exec -it ${container-id} -- ls
  

2.5.关键问题解答

2.5.1.为什么容器不需要 bootFS？

• 内核共享：容器与宿主机共享内核，无需独立内核和 initramfs
• 启动方式：容器进程直接由宿主机 init 系统（如 systemd）启动

2.5.2.如何定制 rootFS？

• 手动构建：

  # 使用 debootstrap 创建最小化 rootFS
  sudo debootstrap focal ./my-rootfs http://archive.ubuntu.com/ubuntu
  

• 容器构建：

  FROM scratch
  COPY my-rootfs/ /
  CMD ["/bin/bash"]