1. Linux文件系統(tǒng)

在Windows操作系統(tǒng)中，使用驅(qū)動(dòng)器盤(pán)符（比如C盤(pán)），決定文件的路徑名。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都會(huì)有自己的目錄結(jié)構(gòu)，以便訪(fǎng)問(wèn)文件。

Linux的路徑名不使用驅(qū)動(dòng)器盤(pán)符。而是將文件存儲(chǔ)在單個(gè)目錄結(jié)構(gòu)中，這個(gè)目錄結(jié)構(gòu)稱(chēng)為虛擬目錄 virtual directory。虛擬目錄將所有的文件目錄納入到單個(gè)目錄結(jié)構(gòu)中。

Linux虛擬目錄結(jié)構(gòu)只包含了一個(gè)稱(chēng)為根（Root）目錄的基礎(chǔ)目錄。

注意：

• Linux使用正斜線(xiàn)(/)而不是反斜線(xiàn)(\)在文件路徑中劃分目錄。在Linux中，反斜線(xiàn)用來(lái)標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)義字符。

• 無(wú)論是window環(huán)境還是Linux環(huán)境，我們關(guān)注的還是java獲取路徑的方法。

Java獲取文件路徑：

 public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("系統(tǒng)默認(rèn)的分隔符："+File.separator);
        File emptyFile = new File("");
        System.out.println("項(xiàng)目路徑："+System.getProperty("user.dir"));
        //返回抽象路徑名的絕對(duì)路徑字符串
        System.out.println("absolutePath路徑為空時(shí)："+emptyFile.getAbsolutePath());
        System.out.println("canonicalPath路徑為空時(shí)："+emptyFile.getCanonicalPath());
        System.out.println();
        //路徑是.或者..時(shí)候
        File file1 = new File(".");
        System.out.println("absolutePath路徑為.時(shí)："+file1.getAbsolutePath());
        System.out.println("canonicalPath路徑為.時(shí)："+file1.getCanonicalPath());
        System.out.println();
        File file2 = new File("..");
        System.out.println("absolutePath路徑為..時(shí)："+file2.getAbsolutePath());
        System.out.println("canonicalPath路徑為..時(shí)："+file2.getCanonicalPath());
        //路徑是絕對(duì)路徑時(shí)
        System.out.println();
        File absoluteFile = new File("/");
        System.out.println("absolutePath路徑為絕對(duì)路徑時(shí)："+absoluteFile.getAbsolutePath());
        System.out.println("canonicalPath路徑為絕對(duì)路徑時(shí)："+absoluteFile.getCanonicalPath());
    }

執(zhí)行結(jié)果：

獲取路徑的方法

在Linux中，會(huì)看到下面這種路徑：
/home/Rich/Document/test.doc
這表明文件test.doc位于Document目錄, Document又位于Rich目錄之下，Rich則是在home路徑之下的。路勁本身并沒(méi)有提供任何有關(guān)文件究竟存放在哪個(gè)物理磁盤(pán)的信息。

1.2 Linux如何協(xié)調(diào)管理各個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備

Linux不使用驅(qū)動(dòng)盤(pán)符，而是將文件存儲(chǔ)在單個(gè)目錄結(jié)構(gòu)中，這個(gè)目錄結(jié)構(gòu)稱(chēng)為虛擬目錄。而Linux第一塊硬盤(pán)。即根驅(qū)動(dòng)器，包含了虛擬目錄的核心，其他目錄都是在這構(gòu)建的，可以?huà)燧d一些存儲(chǔ)設(shè)備，我們稱(chēng)之為掛載點(diǎn)。

Linux會(huì)在根驅(qū)動(dòng)器上創(chuàng)建一些特別的目錄，我們稱(chēng)之為掛載點(diǎn)（mount point），掛載點(diǎn)是虛擬目錄中用于分配額外存儲(chǔ)設(shè)備的目錄。虛擬目錄會(huì)讓文件和目錄出現(xiàn)在這些掛載點(diǎn)目錄中，然而實(shí)際上他們卻存儲(chǔ)在另外一個(gè)存儲(chǔ)器中。

虛擬目錄和掛載：

1. 虛擬目錄結(jié)構(gòu)只包含一個(gè)稱(chēng)為根目錄的基礎(chǔ)目錄。
2. Linux第一塊硬盤(pán)是根驅(qū)動(dòng)器，是虛擬目錄的核心，其他目錄都是在這掛載的。
3. Linux在根驅(qū)動(dòng)器上創(chuàng)建一些特別的目錄，就是掛載點(diǎn)。掛載點(diǎn)是虛擬目錄下分配額外存儲(chǔ)設(shè)備的目錄。文件和目錄存儲(chǔ)在掛載點(diǎn)目錄上，實(shí)際上卻存儲(chǔ)在另外的驅(qū)動(dòng)器上。
4. 訪(fǎng)問(wèn)一個(gè)路徑時(shí)，會(huì)選擇一個(gè)能最大匹配當(dāng)前路徑前綴的掛載點(diǎn)。比如說(shuō)，有/var的掛載點(diǎn)，也有/var/run的掛載點(diǎn)的情況下，訪(fǎng)問(wèn)/var/run/test.pid，就會(huì)匹配到/var/run掛載點(diǎn)設(shè)備下面的/test.pid；
5. 訪(fǎng)問(wèn)非掛載路徑的時(shí)候，按照4中所說(shuō)，其實(shí)就是訪(fǎng)問(wèn)最接近的一個(gè)掛載點(diǎn)，如果沒(méi)有其他掛載點(diǎn)就訪(fǎng)問(wèn)根驅(qū)動(dòng)器上的目錄或者文件。
6. 通過(guò)掛載點(diǎn)，程序不需要嚴(yán)格區(qū)分子目錄和獨(dú)立設(shè)備了。這樣比如/usr可以是/的子目錄，也可以是一個(gè)獨(dú)立的分區(qū)，管理起來(lái)很靈活。

所謂掛載，就是可以通過(guò)文件系統(tǒng)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)到你存儲(chǔ)設(shè)備里面的東西。

通常系統(tǒng)文件會(huì)存儲(chǔ)在根驅(qū)動(dòng)器上，而用戶(hù)文件則存儲(chǔ)在另一驅(qū)動(dòng)器中。

Linux文件結(jié)構(gòu)

需要和windows的文件系統(tǒng)區(qū)分開(kāi)來(lái)

不是所有邏輯上等的父子關(guān)系都必須是同一設(shè)備。。。
決定不同路徑對(duì)應(yīng)到不同設(shè)備的機(jī)制就叫做掛載mount。。
通過(guò)mouth，可以設(shè)置當(dāng)前路徑與設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

你把linux目錄結(jié)構(gòu)想象成一棵樹(shù)，目錄就是樹(shù)枝，分區(qū)就是籃子，掛載就是把籃子掛在樹(shù)枝上，這樣你沿著樹(shù)枝就能進(jìn)到籃子里獲取籃子里的內(nèi)容。如果籃子沒(méi)有被掛載到樹(shù)枝上，你順著樹(shù)枝只能拿到一個(gè)“空”，也就是null。

1.3 常見(jiàn)的Linux目錄結(jié)構(gòu)

Linux文件系統(tǒng)是從Unix文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)演進(jìn)過(guò)來(lái)的。在Linux文件系統(tǒng)中，通用的目錄名用于表示一些常見(jiàn)的功能。

虛擬目錄和文件掛載

常見(jiàn)的目錄名均基于文件系統(tǒng)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（FHS）。很多Linux發(fā)行版都遵循了FHS。深入理解linux系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)（總結(jié)的非常詳細(xì)）

常見(jiàn)的Linux頂級(jí)虛擬目錄名及內(nèi)容：

需要注意的是：我們?cè)谝话闳粘Ｄ芙?jīng)常訪(fǎng)問(wèn)的目錄：/home、/mnt、/media、/usr

2. Linux文件系統(tǒng)層次

Linux文件系統(tǒng)

• Application Process：用戶(hù)層就是我們?nèi)粘Ｊ褂玫母鞣N程序，需要的接口主要是文件的創(chuàng)建，刪除，打開(kāi)，關(guān)閉，寫(xiě)，讀。
• Virtual File System VFS層： Linux系統(tǒng)分為用戶(hù)態(tài)和內(nèi)核態(tài)，用戶(hù)態(tài)請(qǐng)求硬件需要調(diào)用system call通過(guò)內(nèi)核態(tài)去實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)這些文件操作都有著對(duì)應(yīng)的system call函數(shù)接口，接口調(diào)用VFS對(duì)應(yīng)的函數(shù)。
• 文件系統(tǒng)層：不同的文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了VFS的這些函數(shù)，通過(guò)指針注冊(cè)到VFS里面，所以，用戶(hù)的操作通過(guò)VFS轉(zhuǎn)到各種文件系統(tǒng)。文件系統(tǒng)把文件讀寫(xiě)命令轉(zhuǎn)化成對(duì)磁盤(pán)的LBA（尋址）操作，起到一個(gè)翻譯和磁盤(pán)管理的作用。
• Page Cache：文件系統(tǒng)底下有緩存，Page Cache，加速性能。對(duì)磁盤(pán)LBA的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)緩存到這里。
• Block Device Driver 塊設(shè)備區(qū)：用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)LBA的層級(jí)，讀寫(xiě)命令組合之后插入到命令列，磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)從隊(duì)列讀命令執(zhí)行。
• 磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)層：磁盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序把対LBA的讀寫(xiě)命令轉(zhuǎn)化為各自的協(xié)議，比如ATA命令，SCSI命令，或者是自己硬件可以識(shí)別的自定義命令，發(fā)送給磁盤(pán)控制器。
• 磁盤(pán)物理層：讀寫(xiě)物理數(shù)據(jù)到磁盤(pán)介質(zhì)。

2.1 Virtual File System（虛擬目錄系統(tǒng)）：

VFS并不是實(shí)際的文件系統(tǒng)。它只存在于內(nèi)存中，不存在于任何外存空間，VFS在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)被銷(xiāo)毀。

VFS的作用：就是屏蔽各類(lèi)文件系統(tǒng)的差異，給用戶(hù)、應(yīng)用程序、甚至Linux其他管理模塊提供統(tǒng)一的接口集合。

VFS擁有關(guān)于各種特殊文件系統(tǒng)的公共界面，當(dāng)某個(gè)進(jìn)程發(fā)布一個(gè)面向文件系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，內(nèi)核將調(diào)用VFS中對(duì)應(yīng)的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)處理一些與物理結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的操作，并把它重定向?yàn)檎鎸?shí)文件系統(tǒng)中相應(yīng)的函數(shù)調(diào)用。后者處理那些與物理結(jié)構(gòu)相關(guān)的操作。

VFS訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)

用戶(hù)層只能于VFS打交道，而不能直接訪(fǎng)問(wèn)實(shí)際文件系統(tǒng)，比如EXT2、EXT3、PROC。

換句話(huà)說(shuō)，用戶(hù)層不用也不能區(qū)別對(duì)待真正的文件系統(tǒng)。

不過(guò)SOCKET雖然也屬于VFS的管籌范圍，但是有其特殊性，就是不能像打開(kāi)打開(kāi)大部分系統(tǒng)的“文件”一樣打開(kāi)socket，它只能被創(chuàng)建，而且在內(nèi)核中對(duì)其特殊性處理。

2.2 文件系統(tǒng)與工作原理

在Linux中文件系統(tǒng)的種類(lèi)很多，主要是VFS做了一個(gè)軟件抽象層，向上提供文件操作接口，向下提供標(biāo)準(zhǔn)接口供不同文件系統(tǒng)對(duì)接。下面以EXT4文件系統(tǒng)為例，講解下文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理。

存儲(chǔ)系統(tǒng)和inode
數(shù)據(jù)是保存在磁盤(pán)上的，磁盤(pán)上最小的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)一般都是可以存放512字節(jié)的數(shù)據(jù)。

那么如果數(shù)據(jù)大于521字節(jié)的時(shí)候，磁盤(pán)需要不停地移動(dòng)磁頭來(lái)尋找數(shù)據(jù)，一個(gè)文件很容易超過(guò)512字節(jié)，那么如果將多個(gè)扇區(qū)合并成一個(gè)塊，那么磁盤(pán)就可以提高效率。磁頭一次讀取多個(gè)扇區(qū)就為一個(gè)塊"block"（Linux上稱(chēng)為塊，windows上稱(chēng)為簇）。

一個(gè)塊多為4KB，因?yàn)閴K是文件系統(tǒng)上的概念，所以塊也可以在格式化時(shí)候自行定義。

文件數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在“塊”中我們還必須找到一個(gè)地方存儲(chǔ)文件的元信息，比如文件的創(chuàng)建者、文件的創(chuàng)建日期、文件的大小等等，這種存儲(chǔ)文件元信息的區(qū)域就叫做inode（索引節(jié)點(diǎn)）。

每個(gè)分區(qū)都有自己的文件系統(tǒng)，也有一套屬于自己的inode。

分析EXT4文件系統(tǒng)

EXT4文件系統(tǒng)

1. 引導(dǎo)塊：磁盤(pán)分區(qū)的第一個(gè)塊，記錄文件系統(tǒng)分區(qū)的一些信息，引導(dǎo)加載當(dāng)前分區(qū)的程序和數(shù)據(jù)被保存在這個(gè)塊中，一般占用2KB。
2. 超級(jí)塊：超級(jí)塊用于存儲(chǔ)一個(gè)已安裝的文件系統(tǒng)全局配置參數(shù)（例如：塊大小，總的塊數(shù)和inode）和動(dòng)態(tài)信息（例如：當(dāng)前空閑塊數(shù)和inode數(shù)），其處于文件系統(tǒng)開(kāi)始位置的1K處，所占大小為1KB，為了系統(tǒng)的健壯性，最初每個(gè)塊組都有超級(jí)塊和組描述符表（GDT）一個(gè)拷貝，但是當(dāng)文件很大時(shí)，這樣浪費(fèi)很多塊（尤其是GDT占用的塊多），后來(lái)采用了一種稀疏的方式存儲(chǔ)這些拷貝，只有快組號(hào)是3，5，7的冪的塊組才拷貝這個(gè)拷貝。通常情況下，只有主拷貝（第0塊塊組）的超級(jí)塊信息被文件系統(tǒng)使用，其他拷貝在文件系統(tǒng)被破壞的情況下才使用。
   2.1 塊組描述符：GDT用于存儲(chǔ)塊組描述符，其占用一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)塊，具體取決于文件系統(tǒng)的大小。它主要包含塊位圖，inode位圖和inode表位置，當(dāng)前空閑塊數(shù)，inode數(shù)以及使用的目錄數(shù)。
   2.2 塊組：（管理系統(tǒng)文件的塊、inode分配和管理的狀態(tài)）每個(gè)塊組包含一個(gè)塊位圖，一個(gè)inode位塊圖，一個(gè)或多個(gè)用于描述inode表和用于存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)塊。除此之外，還有可能包含超級(jí)塊和所有塊組描述符（取決于塊組號(hào)和文件系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)使用的參數(shù)）。
   • 塊位圖： 用于描述該塊組所管理的塊的分配狀態(tài)，如果某個(gè)塊對(duì)應(yīng)的位未置位，那么代表該塊未分配，可以用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；否則，代表該塊已經(jīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者該塊不能夠使用。
   • Inode位圖：用于描述該塊組所管理的inode的分配狀態(tài)。我們知道inode是用于描述文件的元數(shù)據(jù)，每個(gè)inode對(duì)應(yīng)文件系統(tǒng)中唯一的一個(gè)號(hào)，如果inode位圖中相應(yīng)位置位，那么代表該inode已經(jīng)分配出去，否則可以使用，由于其僅占一個(gè)塊，因此這也限制了一個(gè)塊組所能夠使用的最大inode數(shù)量。
   • inode表：用于存儲(chǔ)inode信息，占用一個(gè)或多個(gè)塊（為了有效利用空間，多個(gè)inode存儲(chǔ)在一個(gè)塊中），其大小取決于文件系統(tǒng)創(chuàng)建時(shí)的參數(shù)，由于inode位圖的限制，決定了其最大所占用的空間。

以上這幾個(gè)構(gòu)成了元素所在磁盤(pán)塊成為文件系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)塊，剩余的部分則用來(lái)存儲(chǔ)真正的文件內(nèi)容，稱(chēng)為數(shù)據(jù)塊

block是實(shí)際文件的內(nèi)容，如果文件大于一個(gè)塊的時(shí)候，將占用多個(gè)block，但是一個(gè)塊只能存放一個(gè)文件（因?yàn)閿?shù)據(jù)是由inode指向的，如果兩個(gè)文件數(shù)據(jù)存放在一個(gè)塊里，就不能指定）

2.3 操作系統(tǒng)讀取文件

操作系統(tǒng)讀取文件

大體過(guò)程：

1. 在讀取一個(gè)文件時(shí)，總是從根目錄（/）開(kāi)始讀取，每一個(gè)目錄或者文件，在VFS中，都是一個(gè)文件對(duì)象，每個(gè)文件對(duì)象都有唯一的一個(gè)inode與之對(duì)應(yīng)。
2. 讀取到第一個(gè)inode就是根目錄，讀取到了該目錄后，內(nèi)核對(duì)象就會(huì)為該對(duì)象建立一個(gè)目錄項(xiàng)對(duì)象（dentry），并將其緩存起來(lái)，方便下一次讀取時(shí)直接從內(nèi)存中取。
3. 目錄本身也是一個(gè)文件，目錄文件的內(nèi)容即是該目錄下的文件的名字與inode號(hào)，目錄文件的內(nèi)容就像一張表，記錄的文件名和其inode之間的映射關(guān)系。根據(jù)路徑即可找到當(dāng)前需要讀取的下一級(jí)文件的名字和inode。同時(shí)繼續(xù)為該文件建立dentry。
4. dentry結(jié)構(gòu)是一種含有指向父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)指針的雙向結(jié)構(gòu)，多個(gè)這樣雙向結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)內(nèi)存里面的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，也就是文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的緩存。

一個(gè)文件只有一個(gè)inode節(jié)點(diǎn)存放它的屬性信息，那么如果是一個(gè)大文件，那么他的block一定是多個(gè)，且可能是不連續(xù)的，那么inode怎么表示呢？

大文件的inode

如果文件內(nèi)容太大，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)量過(guò)多，inode節(jié)點(diǎn)本身提供的存儲(chǔ)空間不夠，會(huì)使用其他間接數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)塊位置信息，最多可以有三級(jí)尋址地址。

1、文件拷貝、剪切的底層過(guò)程是怎樣的？
2、軟連接和硬連接分別是如何實(shí)現(xiàn)的？

• 復(fù)制文件：創(chuàng)建一個(gè)新的inode節(jié)點(diǎn)，并拷貝數(shù)據(jù)塊的內(nèi)容

cp復(fù)制

• 移動(dòng)文件：同一個(gè)分區(qū)里面移動(dòng)文件(mv)，inode節(jié)點(diǎn)不變，只是更新目錄文件對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)塊里面的文件名和inode對(duì)應(yīng)關(guān)系。跨分區(qū)，需要?jiǎng)?chuàng)建新的inode，因?yàn)閕node節(jié)點(diǎn)不同分區(qū)是不能共享的。

A重命名之后inode

同一個(gè)分區(qū)的inode號(hào)不變

• 軟連接：創(chuàng)建軟連接會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的inode節(jié)點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊內(nèi)容存儲(chǔ)所鏈接的文件名信息，這樣源文件即便刪除了，重新建立一個(gè)同名的文件，軟連接依然能夠生效。

軟連接

• 硬連接：創(chuàng)建硬連接，并不會(huì)新建inode節(jié)點(diǎn)，只是links加一，然后在目錄文件對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)塊上增減一條文件名和inode對(duì)應(yīng)的關(guān)系記錄。只有將硬鏈接和原文件都刪除之后，文件才會(huì)真正的刪除，即links為0才是真正的刪除。

推薦閱讀以及參考：

理解 Linux 的硬鏈接與軟鏈接

linux文件系統(tǒng)詳解

Linux文件系統(tǒng)的目錄結(jié)構(gòu)詳解

[文件系統(tǒng)]文件系統(tǒng)學(xué)習(xí)筆記（三）---目錄項(xiàng)緩存dentry