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Linux系统：Ext系列文件系统(硬件篇)

news 2025/8/9 15:15:59

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文章目录

前言
一，理解硬件
- 1-1 磁盘、服务器、机柜、机房
- 1-2 为什么需要磁盘?
- 1-3 磁盘的物理结构
- 1-4 磁盘的存储结构
- 1-5 磁盘的逻辑结构
- - 1-5-1 抽象概念
  - 1-5-2 真实过程
- 1-6 CHS && LBA地址
- - 1-6-1 CHS转成LBA：
  - LBA 转成CHS:
二，分区，inode，块
- 2-1 块
- 2-2 分区
- 2-3 inode

前言

在 Linux 系统中，文件系统是操作系统与磁盘之间最关键的桥梁。Ext 系列文件系统作为 Linux 中最经典和广泛使用的一种，不仅关系到数据的存储与访问效率，也深刻影响着系统的性能与稳定性。了解 Ext 文件系统的结构与机制，是深入掌握 Linux 操作系统不可或缺的一步。学 Ext 文件系统，就像掌握了 Linux 磁盘世界的地图，能让你真正理解数据如何生、存、亡！！！

本文用于文件系统的硬件学习

一，理解硬件

1-1 磁盘、服务器、机柜、机房

磁盘是服务器的一部分，服务器放在机柜中，多个机柜组成一个机房。

磁盘：服务器的“存储器”
- 是最基础的硬件之一，负责存储数据。
- 可以是机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、企业级磁盘阵列等。
- 一台服务器通常包含1块或多块磁盘，用来安装操作系统、保存文件、运行数据库等。
服务器：就像一个“执行任务的智能设备”，磁盘只是它的“硬盘”
- 是一台专门处理请求、提供服务的计算机（物理的或虚拟的）
- 它可能提供网站服务、数据库服务、文件存储、AI 推理等。
- 一台服务器通常包含：CPU、内存、磁盘、网卡、电源等部件。
- 有 1U、2U 等机架式形态，也有塔式、刀片式。
机柜：机柜就像一个“服务器的集装箱”，是物理收纳单元
- 是放置多台服务器、交换机、电源模块等设备的标准化金属柜子
- 通常高 42U（1U 是 1.75 英寸），能容纳多台设备。
- 便于布线、散热和集中管理。
机房：“所有服务器工作的地方”，是基础设施的终点站
- 是集中放置多个机柜的大型房间或建筑。
- 拥有供电系统、冷却系统、防火/防雷系统、安全系统等。
- 保障服务器全天候运行，是云计算/互联网服务的基础设施核心。

1-2 为什么需要磁盘?

磁盘让计算机拥有“记忆”，没有磁盘，计算机就无法保存任何有用的东西。

磁盘的作用

永久保存数据
- 与内存（RAM）不同，磁盘即使断电也能保存数据。
- 比如：操作系统、文档、图片、视频、数据库，都保存在磁盘上。
运行操作系统的载体
- 没有磁盘，系统无法安装和启动操作系统（除非用U盘或网络引导）。
软件与服务的依托
- 应用程序、系统日志、缓存等都依赖磁盘空间。
- 比如网页服务器要存网页文件，数据库服务器要存数据库文件。
大容量、低成本
- 相比内存，磁盘可以提供更大容量、更低价格的数据存储。

如果没有磁盘会怎样？

计算机只能靠内存临时运行，一旦断电，数据全部消失。
操作系统无法启动，应用无法运行，文件无法保存。
等于“失忆”的电脑，无法承担任何实用任务。

1-3 磁盘的物理结构

盘片是“书”，磁头是“眼睛和笔”，磁头臂是“翻书的手”，主轴是“转动的书架”，永磁铁帮助精准控制手的动作。
在这里插入图片描述

盘片：存储数据的“光盘”，表面有磁性材料，通过磁化方向记录0和1。
主轴：带动盘片高速旋转（比如7200转/分钟），让磁头能快速访问不同位置的数据。
磁头：负责读取和写入数据，悬浮在盘片上方（几乎不接触），感应或改变磁性。
永磁铁：配合磁头臂运动，提供精准的磁力控制，让磁头能快速移动到正确位置。
磁头臂：支撑磁头，像机械手臂一样来回摆动，让磁头能覆盖整个盘片。

1-4 磁盘的存储结构

扇区（Sector）
- 是磁盘上最小的可寻址存储单元，通常为 512 字节（现在也有 4KB 的）。
- 每一条磁道会被划分成若干个扇区。
磁道（Track)
- 磁盘在每个盘面上从内到外的一圈圈圆形路径。
- 当磁头在一个固定位置旋转时，磁头划过的路径就是一条磁道。
- 类似于老式黑胶唱片上的同心圆。
柱面（Cylinder）
- 所有盘片中同一半径上的所有磁道组成的集合，称为一个柱面。
- 举个例子：如果一个磁盘有4个盘面（上下两个盘片），那么第100号磁道的4个盘面合起来就是“柱面100”。
磁头（Head）
- 每个盘面有一个磁头负责读写。
- 多个盘面就有多个磁头。
CHS (Cylinder-Head-Sector)
- 是对磁盘上每一个扇区的物理定位方法。
- 每个数据块的位置可以用三元组 (柱面号，磁头号，扇区号) 表示。

在这里插入图片描述

一块传统的机械硬盘（HDD）其实就像一个数据汉堡，里面有好几张圆圆的盘片一层层叠在一起，每张盘片的正反两面都能存数据。每一面都配有一个磁头，就像唱针一样，它用来读写数据。
==这些磁头都安装在一个“磁臂”上，磁臂可以前后移动，这样磁头就能在盘片上来回扫，找到不同的圈圈来读写数据。而盘片本身是高速旋转的，这样每次旋转一圈，磁头下方就会经过很多数据区。
盘面上的数据是按一圈圈排好的，这些圈叫做磁道（Track）。每个磁道再被分成一小块一小块的“披萨片”，这些就是扇区（Sector），是硬盘能读写的最小单位，常见大小是 512 字节或者 4K。
再进一步看，所有盘片上编号相同的磁道，比如说每张盘片上的第100圈，这些磁道在垂直方向上对齐，就组成了一个“柱子”，这叫柱面（Cylinder）。这样只要磁臂把磁头移动到某个柱面，再根据要用哪个磁头（也就是哪个盘面），就能定位到很精确的位置。
早期的硬盘访问方式叫 CHS地址模式，意思就是用三个数字来找数据：
- C 是柱面号（Cylinder）
- H是磁头号（Head，对应盘面）
- S 是扇区号（Sector）

然而，CHS 寻址方式存在容量限制。这是因为：

磁头地址（Head）：使用 8 位表示，最大支持 256 个磁头
柱面地址（Cylinder）：使用 10 位表示，最大支持 1024 个柱面
扇区地址（Sector）：使用 6 位表示，最大支持 63 个扇区（注意扇区编号从 1 开始）
每个扇区大小为 512 字节

因此，CHS 模式下最大可寻址容量为：

256（磁头） × 1024（柱面） × 63（扇区） × 512 字节
= 8,455,716,864 字节 ≈ 8064 MB（按 1MB = 1,048,576 字节）
≈ 8.4 GB（按 1MB = 1,000,000 字节）

这意味着，CHS 模式最多支持约 8.4GB 的硬盘容量，无法满足日益增长的存储需求，因此后来被 LBA（逻辑块地址）模式所取代。

1-5 磁盘的逻辑结构

1-5-1 抽象概念

磁盘的逻辑结构可以抽象为我们小时候用的磁带一样，是一种线形的结构

磁盘存储结构：

磁带上⾯可以存储数据，我们可以把磁带“拉直”，形成线性结构
在这里插入图片描述
虽然磁盘是硬质的机械设备，但从逻辑角度来看，我们可以把磁盘想象成卷成盘状的一条磁带。因此，磁盘的逻辑存储结构也可以类比于磁带的线性数据排列方式，呈现出类似的连续性和顺序性。

在这里插入图片描述
这样，每一个扇区就拥有了一个线性地址，就像一维数组中的下标一样。这个线性地址称为 LBA（Logical Block Address，逻辑块地址），它用于唯一标识磁盘上的每一个数据块，简化了磁盘的寻址方式。

1-5-2 真实过程

⼀个细节：传动臂上的磁头是共进退的
在这里插入图片描述
柱面”其实是一个逻辑上的说法，意思就是每一张盘片上那些半径一样的磁道，叠起来看就像是围成了一个圆柱面。
虽然磁盘在物理上有好几张盘片，但我们可以把它想象成一圈圈的柱面一层层地卷起来组成整个磁盘。

磁道：
某⼀盘⾯的某⼀个磁道展开：
柱⾯：
整个磁盘所有盘⾯的同⼀个磁道，即柱⾯展开：
每个柱面上的磁道数量是一样的，每个磁道里的扇区数量也一样。
换句话说，整个磁盘的柱面结构就像一个规则的二维数组——一行行是柱面上的磁道，一列列是磁道上的扇区。

整盘：
在这里插入图片描述

整个磁盘，其实可以理解成很多张二维的“扇区表”堆叠在一起，就像一个三维数组。
所以当我们要定位（寻址）某个扇区时，其实就是按“CHS”三个维度来找的：
先确定在哪个柱面（Cylinder），然后是柱面上的哪一个磁头（Head，对应磁盘的某一面），最后是具体的扇区（Sector）。
不过如果你学过 C/C++ 的数组，其实这些看起来像三维的结构，我们都可以把它看成是一维数组来处理——本质上就是线性排列的。

在这里插入图片描述

1-6 CHS && LBA地址

1-6-1 CHS转成LBA：

一个柱面上的扇区总数 = 磁头数 × 每个磁道的扇区数。
LBA（逻辑块地址）的计算方法是：先用柱面号乘以每个柱面的扇区总数，再加上磁头号乘以每个磁道的扇区数，最后加上扇区号减1（因为扇区号是从1开始的）。
公式就是：LBA = 柱面号 × （磁头数 × 每磁道扇区数） + 磁头号 × 每磁道扇区数 + （扇区号 - 1）
这里要注意，扇区号是从1开始的，而LBA是从0开始算的。
柱面和磁头的编号都是从0开始的。
磁盘会自动保存这些参数，系统启动时会去读取这些信息。

LBA 转成CHS:

柱面号 C = LBA 除以（磁头数 × 每磁道扇区数），这里的乘积就是一个柱面上的扇区总数。
磁头号 H = （LBA 除以每磁道扇区数的余数）再除以每磁道扇区数，结果取整。
扇区号 S = LBA 除以每磁道扇区数的余数，再加 1（因为扇区号从1开始）。
这里的“除以”是向下取整的除法。
所以从现在开始，对于磁盘的使用者来说，根本不用管 CHS 地址，直接用 LBA 就行了，磁盘内部会自动帮你转换。
换句话说，现在的磁盘就像一个扇区为元素的一维数组，而每个扇区的“下标”就是它的 LBA 地址。操作系统访问磁盘时，只需要用一个数字就能找到对应的扇区，非常方便。

二，分区，inode，块

2-1 块

“块”（block）是磁盘上用于存储数据的最小单位，就像写字用的格子一样。

硬盘是一种典型的块设备（block device）。在操作系统访问硬盘时，并不会逐个扇区（sector）地进行读写操作——这种方式效率较低。相反，系统通常以块（block）为单位进行批量读取，即一次性连续读取多个扇区的数据。
每个硬盘分区在格式化时都会被划分为若干个逻辑块，每个块的大小在格式化时指定，之后不可更改。最常见的块大小为 4KB，对应于 8 个扇区（每个扇区通常为 512 字节）。
块是文件系统进行数据读写的最小单位，也是文件系统分配磁盘空间的基本单元。

在这里插入图片描述

实际上，磁盘可以类比为一个三维数组（柱面、磁头、扇区），但为了简化访问逻辑，现代操作系统将其视作一个线性的一维数组，每个元素对应一个扇区（Sector），下标即为LBA（Logical Block Address）地址。
每个扇区都对应一个唯一的LBA地址，而多个扇区（通常为8个）组成一个块（Block），即文件系统的数据读写单位。
给定某个扇区的 LBA，可通过块号 = LBA ÷ 8 向下取整计算其所属块编号。
反过来，若已知块号及块内偏移 n（第几个扇区），则可以通过 LBA = 块号 × 8 + n 计算对应扇区的 LBA 地址。

2-2 分区

磁盘可以被划分为多个分区（partition），以Windows系统为例，一块物理硬盘可能被划分为多个逻辑驱动器，如C盘、D盘、E盘，这些逻辑驱动器实际上就是对应的不同分区。分区本质上是对硬盘进行的逻辑划分和格式化，以便操作系统能够更好地管理和使用磁盘空间。
而在Linux系统中，所有设备均以文件的形式存在于 /dev 目录下。磁盘的分区在Linux中通常以设备文件的形式体现，例如 /dev/sda1、/dev/sda2 等，分别对应物理硬盘 /dev/sda 的不同分区。Linux通过分区表（如MBR或GPT）来管理分区信息，操作系统根据分区表识别和挂载各个分区，实现磁盘的逻辑划分和管理。
柱面是划分分区时常用的物理参考单位。我们通过指定每个分区的起始柱面和结束柱面来完成分区。这样就好像把硬盘上的柱面按顺序排开，铺成一个大平面，方便直观地表示各个分区的位置和大小。但是扇区才是分区的基本单位
柱面的大小是固定的，每个柱面上的扇区数也是一致的。因此，只要知道每个分区的起始柱面号和结束柱面号，以及每个柱面包含多少扇区，就能很清楚地计算出该分区的大小，也能明确该分区对应的LBA地址范围。

2-3 inode

之前我们提到过，文件 = 数据 + 属性。当我们使用ls -l命令查看文件时，除了文件名，还能看到文件的元数据（属性），比如权限、所有者、大小和修改时间等信息。
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每行包含：文件权限（读、写、执行权限），链接数（有多少个目录项指向这个inode），拥有者和用户组，文件大小，文件创建、修改、访问时间，文件类型（普通文件、目录、链接等），

ls -l读取的是文件的信息，
除了通过 ls -l 查看文件信息外，我们还可以使用 stat 命令来获取文件的更多详细元数据。

在这里插入图片描述
我们来想个问题：文件的数据都放在“块”里，那文件的各种信息，比如谁创建的、什么时候创建的、文件多大，这些东西得放哪里呢，这些文件的“身份证明”和属性信息，就是存在叫做 inode（中文叫“索引节点”）的地方。
在这里插入图片描述

每⼀个⽂件都有对应的inode，⾥⾯包含了与该⽂件有关的⼀些信息。为了能解释清楚inode，我们需要是深⼊了解⼀下⽂件系统。
在 Linux 里，文件的属性和内容是分开存着的。
文件的属性信息都存在一个叫 inode 的地方。每个文件对应一个 inode，里面有个唯一的编号，叫做 inode 号。

inode在linux系统中的源代码：

#define EXT2_N_BLOCKS 15struct ext2_inode {__le16  i_mode;         /* 文件类型和权限 */__le16  i_uid;          /* 所有者用户ID */__le32  i_size;         /* 文件大小（字节） */__le32  i_atime;        /* 最后访问时间 */__le32  i_ctime;        /* 创建时间 */__le32  i_mtime;        /* 最后修改时间 */__le32  i_dtime;        /* 删除时间 */__le16  i_gid;          /* 所属组ID */__le16  i_links_count;  /* 链接数 */__le32  i_blocks;       /* 文件占用的块数 */__le32  i_flags;        /* 文件标志 */__le32  i_block[EXT2_N_BLOCKS]; /* 数据块指针数组 */// 省略其他字段...
};