Linux文件系统概述

本文的目的是讨论Linux文件系统的概念，而不是特定文件系统（例如EXT4）如何工作的具体描述. 此外，本文不是有关文件系统命令的教程.

每台通用计算机都需要在硬盘驱动器（HDD）或其他类似设备（例如USB存储器）上存储各种数据. 有两个原因. 首先，当计算机关闭时，内存（RAM）将丢失其中存储的内容. 尽管存在非易失性类型的RAM，它可以在计算机关闭电源后存储数据（例如使用USB闪存和固态驱动器的闪存），闪存和标准易失性RAM（例如DDR3和其他类似设备）与RAM类型相比，它要昂贵得多.

需要将数据存储在硬盘驱动器上的另一个原因是，即使标准RAM也比常规硬盘驱动器贵得多. 尽管RAM和硬盘的价格迅速下降，但RAM的价格仍以字节为单位. 让我们以字节为单位进行快速计算: 基于16 GB RAM的价格和2 TB硬盘驱动器的价格. 计算表明，RAM的价格比硬盘驱动器贵71倍左右. 如今，典型RAM的价格约为0.000000004373750 USD /字节.

直观地显示很久以前的RAM价格. 在计算机开发的早期，一种类型的RAM是基于CRT屏幕上的点的. 这种RAM非常昂贵，大约1美元/字节.

您可能听说过其他人以各种令人困惑的方式谈论文件系统. 单词文件系统本身具有多种含义，您需要从讨论或文档的上下文中了解其正确含义.

我将根据我观察到的情况在不同情况下使用“文件系统”一词来定义其不同的含义. 请注意，尽管我尝试遵循标准的“官方”含义高性能计算机并行文件系统，但我打算根据其不同用途来定义此术语（请参见下文）. 这意味着我将在本文的后续章节中对其进行更详细的讨论.

整个Linux目录结构从顶级根（/）目录开始. 特定类型的数据存储格式，例如EXT3，EXT4，BTRFS，XFS等. Linux支持近百种文件系统，包括一些非常旧的文件系统和最新的文件系统. 每种文件系统类型都使用其自己独特的元数据结构来定义如何存储和访问数据. 可以将使用特定类型的文件系统格式化的分区或逻辑卷安装在Linux文件系统的指定安装点上.

磁盘存储是文件系统的必要功能，它具有一些有趣且必不可少的细节. 显然，文件系统用于提供存储非易失性数据的空间，这是其基本功能. 但是，它还具有许多基于需求的重要功能.

所有文件系统都需要提供一个命名空间，这是一种命名和组织方法. 它定义了文件的命名方式，文件名的最大长度以及所有可用字符集都可用于文件名中字符集的子集. 它还定义了磁盘上数据的逻辑结构，例如使用目录来组织文件，而不是将所有文件聚合为一个巨大的文件混合物.

定义命名空间后，元数据结构对于为命名空间提供逻辑基础是必需的. 这包括能够支持分层目录结构所需的数据结构，同时能够确定硬盘空间中的块是否已使用或可用，支持修改文件或目录的名称，提供有关文件大小，创建时间，诸如访问或修改时间之类的信息以及该位置或数据在磁盘空间中所属的文件的位置的信息. 其他元数据用于存储有关磁盘细分的高级信息，例如逻辑卷和分区. 这种更高级别的元数据及其表示的结构包含描述存储在驱动器或分区中的文件系统的信息，但它独立于文件系统元数据，也独立于文件系统元数据.

文件系统还需要一个应用程序编程接口（API），该接口可访问对文件系统对象（例如文件和目录）进行操作的系统功能调用. 该API还提供诸如创建，移动和删除文件之类的功能. 它还提供了确定某些信息的算法，例如文件在文件系统中的存储位置. 这样的算法可以用来解释诸如磁盘速度和最小化磁盘碎片之类的术语.

现代文件系统还提供了一种安全模型，该模型是用于定义文件和目录访问权限的方案. Linux文件系统安全模型确保用户只能访问自己的文件，而不能访问其他用户的文件或操作系统本身.

最后一个组件是实现所有这些功能所需的软件. Linux使用两层软件实现来提高系统和程序员的效率.

图1: Linux两层文件系统软件的实现.

这两层的第一层是Linux虚拟文件系统. 虚拟文件系统为内核和开发人员提供了一组命令，以访问所有类型的文件系统. 虚拟文件系统软件通过调用特殊的设备驱动程序来与不同类型的文件系统进行交互. 特定文件系统的设备驱动程序在第二级实现. 设备驱动程序将标准的文件系统命令集解释为分区或逻辑卷上的特定类型的文件系统命令.

作为一个处处井井有条的座，我喜欢将物品存储在较小的，井井有条的小容器中，而不是在同一个大容器中. 目录的使用使我可以存储文件并在需要查看它们时找到它们. 目录也称为文件夹. 之所以称为文件夹，是因为其中的文件以类似的方式存储在物理桌面上.

在Linux和许多其他操作系统中，目录可以组织为分层树结构. Linux目录结构在Linux文件系统层次结构标准中定义（LCTT转换: 请参见本文）. 通过目录引用访问目录时，更深的目录名称之间用正斜杠（/）连接以形成一个序列，例如/ var / log和/ var / spool / mail. 这些称为路径.

下表提供了标准的，众所周知的，预定义的顶级Linux目录及其用途的简要列表.

目录说明

/（根文件系统）

根文件系统是文件系统的顶级目录. 在挂载其他文件系统之前，它必须包含启动Linux系统所需的所有文件. 它必须包含启动其余文件系统所需的所有可执行文件和库. 启动文件系统后，所有其他文件系统都作为根文件系统的子目录安装到标准的预定义安装点.

/ bin

The

/ bin目录包含用户可执行文件.

/启动

包含启动Linux系统所需的静态启动程序，内核可执行文件和配置文件.

/ dev

此目录包含连接到系统的每个硬件设备的设备文件. 这些文件不是设备驱动程序，而是代表计算机上每台计算机可以访问的设备.

/ etc

包含主机的本地系统配置文件.

/ home

主目录存储用户文件，每个用户在/ home目录中都有一个子目录（作为其主目录）.

/ lib

包含启动系统所需的共享库文件.

/ media

主机可连接外部可移动设备（例如USB驱动器）的安装位置.

/ mnt

普通文件系统（例如不可移动介质）的临时挂载点高性能计算机并行文件系统，当管理员修复或处理文件系统时可以使用.

/ opt

应在此处安装可选文件，例如供应商提供的应用程序.

/ root

这不是根（/）文件系统. 这是根用户的主目录.

/ sbin

系统二进制文件. 这些是用于系统管理的可执行文件.

/ tmp

临时目录. 由操作系统和许多程序用来存储临时文件. 用户也可以在此处临时存储文件. 请注意，此处存储的文件可能会随时删除，恕不另行通知.

/ usr

此目录包含可共享的只读文件，包括可执行的二进制文件和库，man文件以及其他类型的文档.

/ var

各种数据文件存储在这里. 这些文件包括日志文件，MySQL和其他文件，Web服务器数据文件，邮件等.

表1: Linux文件系统层次结构的顶层

这些目录及其子目录如表1所示. 在所有子目录中，粗体目录构成了根文件系统的必要部分. 换句话说，它们不能创建为单独的文件系统并在引导时挂载. 这是因为它们（尤其是其中包含的内容）必须在系统启动时出现，以便系统可以正常启动.

The

/ media目录和/ mnt目录是根文件系统的一部分，但是它们从不包含任何数据，因为它们只是临时安装点.

表1中剩余的非粗体目录不需要在系统启动过程中出现，但稍后会挂载在根文件系统上. 在引导阶段，它们为主机做准备以执行有用的工作.

有关这些目录及其子目录的更多详细信息，请参考Linux文件系统层次结构标准（FHS）官方网页. 维基百科上也对FHS进行了很好的介绍. 应尽可能遵守这些标准，以确保操作和功能的一致性. 无论主机上使用哪种类型的文件系统，分层目录结构都是相同的.

在某些具有非Linux操作系统的个人计算机上，如果有多个物理硬盘驱动器或多个分区，则将为每个硬盘驱动器或分区分配一个驱动器号. 有必要知道文件或程序位于哪个硬盘驱动器上，例如C: 或D:. 然后，您可以在命令中使用驱动器号，以D: 为例. 为了输入D: 驱动器，可以使用cd命令将工作目录更改为正确的目录，以找到所需的文件. 每个硬盘驱动器都有自己单独的完整目录树.

Linux文件系统将所有物理硬盘驱动器和分区统一为目录结构. 它们都从顶级根目录（/）开始. 所有其他目录及其子目录位于单个Linux根目录下. 这意味着只有一个目录树可以搜索文件和程序.

因为只有一个文件系统，所以/ root，/ tmp，/ var，/ opt或/ usr可以在与根（/）文件系统不同的物理硬盘驱动器，分区或逻辑分区上创建，然后挂载到根文件系统树的一部分的挂载点（目录）. 甚至可以将可移动驱动器（例如USB驱动器或外部USB或ESATA硬盘驱动器）安装在根文件系统上，并成为目录树的组成部分.

当您从Linux发行版的一个版本升级到另一个版本或从一个发行版更改到另一个版本时，您将清楚地看到以这种方式创建不同分区的好处. 通常，除了Fedora中的dnf-upgrade之类的任何升级工具外，明智的做法是在升级过程中偶尔重新格式化包含操作系统的硬盘，以消除长期的垃圾堆积. 如果/ home目录是根文件系统的一部分（位于同一硬盘驱动器上），则还将对其进行格式化，然后需要从以前的备份中还原. 如果/ home目录用作单独的文件系统，则安装程序将识别它并跳过其格式. / var目录也是如此，该目录存储，邮箱，网页以及其他可变的用户和系统数据.

将Linux系统目录树的某些部分用作单独的文件系统还有其他原因. 例如，很久以前，我不知道将所有必需的Linux目录用作根（/）文件系统的一部分可能会出现问题，因此一些非常大的文件填充了/ home目录. 因为/ home目录和/ tmp目录不是单独的文件系统，而是根文件系统的简单子目录，所以将填充整个根文件系统. 因此，操作系统将没有更多空间来存储临时文件或扩展现有数据文件. 首先，应用程序开始抱怨没有空间可以保存文件，然后操作系统也开始异常运行. 引导到单用户模式并清除/ home目录中的多余文件后，我终于能够再次工作. 然后，我使用非常标准的多文件系统设置重新安装了Linux系统，从而避免了系统再次崩溃.

我曾经遇到Linux主机仍在运行的情况，但是它不允许用户通过GUI桌面登录. 我可以使用任一虚拟控制台通过命令行界面（CLI）在本地登录，然后远程使用SSH. 问题的原因是/ tmp文件系统已满，因此无法创建GUI桌面登录所需的一些临时文件. 因为命令行界面登录不需要在/ tmp目录中创建文件，所以缺少可用空间并不能阻止我使用命令行界面登录. 在这种情况下，/ tmp目录是一个单独的文件系统，/ tmp所在的逻辑卷上有很多可用空间. 我只是扩展了/ tmp逻辑卷的容量以容纳主机所需的临时文件，因此问题得以解决. 请注意，此解决方案不需要重新启动. 扩展/ tmp文件系统后，用户可以登录到桌面.

当我是一家大型技术公司的实验室管理员时，我遇到了另一个失败. 开发人员将应用程序安装到错误的位置（/ var）. 结果，由于/ var文件系统已满，应用程序崩溃了. 由于空间不足，存储在/ var / log中的日志文件无法附加新的日志消息. 但是，由于根文件系统和/ tmp文件系统尚未填充，因此系统仍在运行. 删除该应用程序并将其重新安装到/ opt文件系统后，问题已解决.

Linux系统支持读取大约100种分区类型，但是只能创建和编写几种. 但是，通常将不同类型的文件系统挂载在同一根文件系统上. 在本文中，术语文件系统是指在硬盘驱动器或逻辑卷上的分区中存储和管理用户数据所需的结构和元数据. Linux系统的fdisk命令可以识别的文件系统类型的完整列表. 在这里，您可以感受到Linux系统与许多类型的系统的高度兼容性.

Linux支持读取如此多种类型的分区系统的主要目的是提高兼容性，使其至少可以与某些其他计算机系统的文件系统进行交互. 以下是在Fedora中创建新文件系统时所有可能类型的列表:

其他发行版支持不同的文件系统类型. 例如，CentOS 6仅支持创建上表中以粗体标记的文件系统类型.

Linux系统上的术语“挂载”文件系统意味着在计算机开发的早期，需要将磁带或可移动磁盘组物理地安装在合适的驱动器设备上. 在物理上放置在驱动器上之后，操作系统将在逻辑上将文件系统安装在磁盘上，以便操作系统，应用程序和用户可以访问文件系统的内容.

安装点只是一个目录，与其他任何目录一样，它是根文件系统的一部分. 因此，例如，home文件系统安装在目录/ home下. 可以将文件系统挂载到其他非根文件系统挂载点，但这并不常见.

在Linux系统启动阶段的初始阶段，会将根文件系统挂载到根目录（/）. 其他文件系统随后通过rc在SystemV或某些较新的Linux发行版（例如在某些Linux发行版中的systemd）下安装. 在启动过程中，文件系统的挂载由/ etc / fstab配置文件管理. 一种简单的记住方式是fstab代表“文件系统表”，它包含需要挂载的文件系统的列表. 这些文件系统都指定了特定文件系统可能需要的安装点和选项.

使用mount命令将文件系统安装到现有目录/安装点. 通常，用作挂载点的任何目录都应该为空，并且不包含其他文件. Linux系统不会阻止用户安装已安装文件系统的目录或将文件系统安装到包含文件的目录. 如果将文件系统挂载到现有目录或文件系统，则其原始内容将被隐藏，只有新挂载的文件系统的内容可见.

我希望本文能澄清术语文件系统方面可能存在的歧义. 在导师的帮助下，我花了很长时间才真正理解并欣赏Linux文件系统的复杂性，优雅性和功能性及其完整含义.

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