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[26244] 2020-09-04_文件系统：隐匿在Linux背后的机制

文档创建者：s7ckTeam
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最后更新：2025-01-19
2020-09-04_文件系统：隐匿在Linux背后的机制 文 件 系 统 ： 隐 匿 在   L i n u x   背 后 的 机 制 c x u a n   L i n u x 学 习   2 0 2 0 - 0 9 - 0 4 来 自 公 众 号 ： 来 自 公 众 号 ： J a v a 建 设 者 建 设 者 在   L i n u x   中 ， 最 直 观 、 最 可 见 的 部 分 就 是   。 下 面 我 们 就 来 一 起 探 讨 一 下 关 于   L i n u x   中 国 的 文 件 系 统 ， 系 统 调 用 以 及 文 件 系 统 实 现 背 后 的 原 理 和 思 想 。 这 些 思 想 中 有 一 些 来 源 于   M U L T I C S ， 现 在 已 经 被   W i n d o w s   等 其 他 操 作 系 统 使 用 。 L i n u x   的 设 计 理 念 就 是     。 虽 然   L i n u x   只 是 使 用 了 最 简 单 的 机 制 和 少 量 的 系 统 调 用 ， 但 是   L i n u x   却 提 供 了 强 大 而 优 雅 的 文 件 系 统 。 L i n u x   文 件 系 统 基 本 概 念 文 件 系 统 基 本 概 念 L i n u x   在 最 初 的 设 计 是   M I N I X 1   文 件 系 统 ， 它 只 支 持   1 4   字 节 的 文 件 名 ， 它 的 最 大 文 件 只 支 持 到   6 4   M B 。 在   M I N I X   1   之 后 的 文 件 系 统 是   e x t   文 件 系 统 。 e x t   系 统 相 较 于   M I N I X   1   来 说 ， 在 支 持 字 节 大 小 和 文 件 大 小 上 均 有 很 大 提 升 ， 但 是   e x t   的 速 度 仍 没 有   M I N I X   1   快 ， 于 是 ， e x t   2   被 开 发 出 来 ， 它 能 够 支 持 长 文 件 名 和 大 文 件 ， 而 且 具 有 比   M I N I X   1   更 好 的 性 能 。 这 使 他 成 为   L i n u x   的 主 要 文 件 系 统 。 只 不 过   L i n u x   会 使 用     曾 支 持 多 种 文 件 系 统 。 在   L i n u x   链 接 时 ， 用 户 可 以 动 态 的 将 不 同 的 文 件 系 统 挂 载 倒   V F S   上 。 L i n u x   中 的 文 件 是 一 个 任 意 长 度 的 字 节 序 列 ， L i n u x   中 的 文 件 可 以 包 含 任 意 信 息 ， 比 如   A S C I I   码 、 二 进 制 文 件 和 其 他 类 型 的 文 件 是 不 加 区 分 的 。 为 了 方 便 起 见 ， 文 件 可 以 被 组 织 在 一 个 目 录 中 ， 目 录 存 储 成 文 件 的 形 式 在 很 大 程 度 上 可 以 作 为 文 件 处 理 。 目 录 可 以 有 子 目 录 ， 这 样 形 成 有 层 次 的 文 件 系 统 ， L i n u x   系 统 下 面 的 根 目 录 是     ， 它 通 常 包 含 了 多 个 子 目 录 。 字 符     还 用 于 对 目 录 名 进 行 区 分 ， 例 如   / u s r / c x u a n   表 示 的 就 是 根 目 录 下 面 的   u s r   目 录 ， 其 中 有 一 个 叫 做   c x u a n   的 子 目 录 。 下 面 我 们 介 绍 一 下   L i n u x   系 统 根 目 录 下 面 的 目 录 名 ， 它 是 重 要 的 二 进 制 应 用 程 序 ， 包 含 二 进 制 文 件 ， 系 统 的 所 有 用 户 使 用 的 命 令 都 在 这 里 ， 启 动 包 含 引 导 加 载 程 序 的 相 关 文 件 文 件 系 统 ( f i l e   s y s t e m ) 小 的 就 是 好 的 ( S m a l l   i s   B e a u t i f u l ) V F S / / / b i n / b o o t
， 包 含 设 备 文 件 ， 终 端 文 件 ， U S B   或 者 连 接 到 系 统 的 任 何 设 备 ， 配 置 文 件 ， 启 动 脚 本 等 ， 包 含 所 有 程 序 所 需 要 的 配 置 文 件 ， 也 包 含 了 启 动 / 停 止 单 个 应 用 程 序 的 启 动 和 关 闭   s h e l l   脚 本 ， 本 地 主 要 路 径 ， 所 有 用 户 用   h o m e   目 录 存 储 个 人 信 息 ， 系 统 库 文 件 ， 包 含 支 持 位 于   / b i n   和   / s b i n   下 的 二 进 制 库 文 件 ， 在 根 目 录 下 提 供 一 个 遗 失 + 查 找 系 统 ， 必 须 在   r o o t   用 户 下 才 能 查 看 当 前 目 录 下 的 内 容 ， 挂 载 可 移 动 介 质 ， 挂 载 文 件 系 统 ， 提 供 一 个 可 选 的 应 用 程 序 安 装 目 录 ， 特 殊 的 动 态 目 录 ， 用 于 维 护 系 统 信 息 和 状 态 ， 包 括 当 前 运 行 中 进 程 信 息 ， r o o t   用 户 的 主 要 目 录 文 件 夹 ， 重 要 的 二 进 制 系 统 文 件 ，   系 统 和 用 户 创 建 的 临 时 文 件 ， 系 统 重 启 时 ， 这 个 目 录 下 的 文 件 都 会 被 删 除 ， 包 含 绝 大 多 数 用 户 都 能 访 问 的 应 用 程 序 和 文 件 ， 经 常 变 化 的 文 件 ， 诸 如 日 志 文 件 或 数 据 库 等 在   L i n u x   中 ， 有 两 种 路 径 ， 一 种 是     ， 绝 对 路 径 告 诉 你 从 根 目 录 下 查 找 文 件 ， 绝 对 路 径 的 缺 点 是 太 长 而 且 不 太 方 便 。 还 有 一 种 是     ， 相 对 路 径 所 在 的 目 录 也 叫 做 / d e v / e t c / h o m e / l i b / l o s t + f o u n d / m e d i a / m n t / o p t / p r o c / r o o t / s b i n / t m p / u s r / v a r 绝 对 路 径 ( a b s o l u t e   p a t h ) 相 对 路 径 ( r e l a t i v e   p a t h )
。 如 果     是 工 作 目 录 ， 那 么   s h e l l   命 令 就 表 示 的 是 相 对 路 径 ， 而 则 表 示 的 是 绝 对 路 径 。 在   L i n u x   中 经 常 出 现 一 个 用 户 使 用 另 一 个 用 户 的 文 件 或 者 使 用 文 件 树 结 构 中 的 文 件 。 两 个 用 户 共 享 同 一 个 文 件 ， 这 个 文 件 位 于 某 个 用 户 的 目 录 结 构 中 ， 另 一 个 用 户 需 要 使 用 这 个 文 件 时 ， 必 须 通 过 绝 对 路 径 才 能 引 用 到 他 。 如 果 绝 对 路 径 很 长 ， 那 么 每 次 输 入 起 来 会 变 的 非 常 麻 烦 ， 所 以   L i n u x   提 供 了 一 种     机 制 。 举 个 例 子 ， 下 面 是 一 个 使 用 链 接 之 前 的 图 工 作 目 录 ( w o r k i n g   d i r e c t o r y ) / u s r / l o c a l / b o o k s c p   b o o k s   b o o k s - r e p l i c a   c p   / u s r / l o c a l / b o o k s / b o o k s   / u s r / l o c a l / b o o k s / b o o k s - r e p l i c a 链 接 ( l i n k )
以 上 所 示 ， 比 如 有 两 个 工 作 账 户   j i a n s h e   和   c x u a n ， j i a n s h e   想 要 使 用   c x u a n   账 户 下 的   A   目 录 ， 那 么 它 可 能 会 输 入     ， 这 是 一 种 未 使 用 链 接 之 后 的 图 。 使 用 链 接 后 的 示 意 如 下 / u s r / c x u a n / A
现 在 ， j i a n s h e   可 以 创 建 一 个 链 接 来 使 用   c x u a n   下 面 的 目 录 了 。 ‘ 当 一 个 目 录 被 创 建 出 来 后 ， 有 两 个 目 录 项 也 同 时 被 创 建 出 来 ， 它 们 就 是     和     ， 前 者 代 表 工 作 目 录 自 身 ， 后 者 代 表 该 目 录 的 父 目 录 ， 也 就 是 该 目 录 所 在 的 目 录 。 这 样 一 来 ， 在   / u s r / j i a n s h e   中 访 问 c x u a n   中 的 目 录 就 是   L i n u x   文 件 系 统 不 区 分 磁 盘 的 ， 这 是 什 么 意 思 呢 ？ 一 般 来 说 ， 一 个 磁 盘 中 的 文 件 系 统 相 互 之 间 保 持 独 立 ， 如 果 一 个 文 件 系 统 目 录 想 要 访 问 另 一 个 磁 盘 中 的 文 件 系 统 ， 在   W i n d o w s   中 你 可 以 像 下 面 这 样 。 . . . . . / c x u a n / x x x
两 个 文 件 系 统 分 别 在 不 同 的 磁 盘 中 ， 彼 此 保 持 独 立 。 而 在   L i n u x   中 ， 是 支 持 的 ， 它 允 许 一 个 磁 盘 挂 在 到 另 外 一 个 磁 盘 上 ， 那 么 上 面 的 关 系 会 变 成 下 面 这 样 挂 载
挂 在 之 后 ， 两 个 文 件 系 统 就 不 再 需 要 关 心 文 件 系 统 在 哪 个 磁 盘 上 了 ， 两 个 文 件 系 统 彼 此 可 见 。 L i n u x   文 件 系 统 的 另 外 一 个 特 性 是 支 持   。 在 一 些 应 用 中 会 出 现 两 个 或 者 更 多 的 进 程 同 时 使 用 同 一 个 文 件 的 情 况 ， 这 样 很 可 能 会 导 致 。 一 种 解 决 方 法 是 对 其 进 行 加 不 同 粒 度 的 锁 ， 就 是 为 了 防 止 某 一 个 进 程 只 修 改 某 一 行 记 录 从 而 导 致 整 个 文 件 都 不 能 使 用 的 情 况 。 P O S I X   提 供 了 一 种 灵 活 的 、 不 同 粒 度 级 别 的 锁 机 制 ， 允 许 一 个 进 程 使 用 一 个 不 可 分 割 的 操 作 对 一 个 字 节 或 者 整 个 文 件 进 行 加 锁 。 加 锁 机 制 要 求 尝 试 加 锁 的 进 程 指 定 其   要 加 锁 的 文 件 ， 开 始 位 置 以 及 要 加 锁 的 字 节 L i n u x   系 统 提 供 了 两 种 锁 ： 共 享 锁 和 互 斥 锁 。 如 果 文 件 的 一 部 分 已 经 加 上 了 共 享 锁 ， 那 么 再 加 排 他 锁 是 不 会 成 功 的 ； 如 果 文 件 系 统 的 一 部 分 已 经 被 加 了 互 斥 锁 ， 那 么 在 互 斥 锁 解 除 之 前 的 任 何 加 锁 都 不 会 成 功 。 为 了 成 功 加 锁 、 请 求 加 锁 的 部 分 的 所 有 字 节 都 必 须 是 可 用 的 。 加 锁 ( l o c k i n g ) 竞 争 条 件 ( r a c e   c o n d i t i o n )
在 加 锁 阶 段 ， 进 程 需 要 设 计 好 加 锁 失 败 后 的 情 况 ， 也 就 是 判 断 加 锁 失 败 后 是 否 选 择 阻 塞 ， 如 果 选 择 阻 塞 式 ， 那 么 当 已 经 加 锁 的 进 程 中 的 锁 被 删 除 时 ， 这 个 进 程 会 解 除 阻 塞 并 替 换 锁 。 如 果 进 程 选 择 非 阻 塞 式 的 ， 那 么 就 不 会 替 换 这 个 锁 ， 会 立 刻 从 系 统 调 用 中 返 回 ， 标 记 状 态 码 表 示 是 否 加 锁 成 功 ， 然 后 进 程 会 选 择 下 一 个 时 间 再 次 尝 试 。 加 锁 区 域 是 可 以 重 叠 的 。 下 面 我 们 演 示 了 三 种 不 同 条 件 的 加 锁 区 域 。 如 上 图 所 示 ， A   的 共 享 锁 在 第 四 字 节 到 第 八 字 节 进 行 加 锁 如 上 图 所 示 ， 进 程 在   A   和   B   上 同 时 加 了 共 享 锁 ， 其 中   6   -   8   字 节 是 重 叠 锁 如 上 图 所 示 ， 进 程   A   和   B   和   C   同 时 加 了 共 享 锁 ， 那 么 第 六 字 节 和 第 七 字 节 是 共 享 锁 。 如 果 此 时 一 个 进 程 尝 试 在 第   6   个 字 节 处 加 锁 ， 此 时 会 设 置 失 败 并 阻 塞 ， 由 于 该 区 域 被   A   B   C   同 时 加 锁 ， 那 么 只 有 等 到   A B   C   都 释 放 锁 后 ， 进 程 才 能 加 锁 成 功 。 L i n u x   文 件 系 统 调 用 文 件 系 统 调 用 许 多 系 统 调 用 都 会 和 文 件 与 文 件 系 统 有 关 。 我 们 首 先 先 看 一 下 对 单 个 文 件 的 系 统 调 用 ， 然 后 再 来 看 一 下 对 整 个 目 录 和 文 件 的 系 统 调 用 。 为 了 创 建 一 个 新 的 文 件 ， 会 使 用 到   c r e a t
  方 法 ， 注 意 没 有   。 这 里 说 一 个 小 插 曲 ， 曾 经 有 人 问   U N I X   创 始 人   K e n   T h o m p s o n ， 如 果 有 机 会 重 新 写   U N I X   ， 你 会 怎 么 办 ， 他 回 答 自 己 要 把   c r e a t   改 成   c r e a t e   ， 哈 哈 哈 哈 。 这 个 系 统 调 用 的 两 个 参 数 是 文 件 名 和 保 护 模 式 这 段 命 令 会 创 建 一 个 名 为   a a a   的 文 件 ， 并 根 据   m o d e   设 置 文 件 的 保 护 位 。 这 些 位 决 定 了 哪 个 用 户 可 能 访 问 文 件 、 如 何 访 问 。 c r e a t   系 统 调 用 不 仅 仅 创 建 了 一 个 名 为   a a a   的 文 件 ， 还 会 打 开 这 个 文 件 。 为 了 允 许 后 续 的 系 统 调 用 访 问 这 个 文 件 ， 这 个 c r e a t   系 统 调 用 会 返 回 一 个   ，   这 个 就 叫 做   ， 也 就 是 上 面 的   f d 。 如 果 在 已 经 存 在 的 文 件 上 调 用 了   c r e a t   系 统 调 用 ， 那 么 该 文 件 中 的 内 容 会 被 清 除 ， 从   0   开 始 。 通 过 设 置 合 适 的 参 数 ，   系 统 调 用 也 能 够 创 建 文 件 。 下 面 让 我 们 看 一 看 主 要 的 系 统 调 用 ， 如 下 表 所 示 系 统 调 用 系 统 调 用 描 述 描 述 f d   =   c r e a t ( n a m e , m o d e ) 一 种 创 建 一 个 新 文 件 的 方 式 f d   =   o p e n ( f i l e ,   . . . ) 打 开 文 件 读 、 写 或 者 读 写 s   =   c l o s e ( f d ) 关 闭 一 个 打 开 的 文 件 n   =   r e a d ( f d ,   b u f f e r ,   n b y t e s ) 从 文 件 中 向 缓 存 中 读 入 数 据 n   =   w r i t e ( f d ,   b u f f e r ,   n b y t e s ) 从 缓 存 中 向 文 件 中 写 入 数 据 p o s i t i o n   =   l s e e k ( f d ,   o f f s e t ,   w h e n c e ) 移 动 文 件 指 针 s   =   s t a t ( n a m e ,   & b u f ) 获 取 文 件 信 息 s   =   f s t a t ( f d ,   & b u f ) 获 取 文 件 信 息 s   =   p i p e ( & f d [ 0 ] ) 创 建 一 个 管 道 s   =   f c n t l ( f d , . . . ) 文 件 加 锁 等 其 他 操 作 c r e a t e f d   =   c r e a t ( " a a a " , m o d e ) ; 非 负 整 数 文 件 描 述 符 ( f i l e   d e s c r i p t o r ) o p e n
为 了 对 一 个 文 件 进 行 读 写 的 前 提 是 先 需 要 打 开 文 件 ， 必 须 使 用   c r e a t   或 者   o p e n   打 开 ， 参 数 是 打 开 文 件 的 方 式 ， 是 只 读 、 可 读 写 还 是 只 写 。 o p e n   系 统 调 用 也 会 返 回 文 件 描 述 符 。 打 开 文 件 后 ， 需 要 使 用     系 统 调 用 进 行 关 闭 。 c l o s e   和   o p e n   返 回 的   f d   总 是 未 被 使 用 的 最 小 数 量 。 什 么 是 文 件 描 述 符 ？ 文 件 描 述 符 就 是 一 个 数 字 ， 这 个 数 字 标 示 了 计 算 机 操 作 系 统 中 打 开 的 文 件 。 它 描 述 了 数 据 资 源 ， 以 及 访 问 资 源 的 方 式 。 当 程 序 要 求 打 开 一 个 文 件 时 ， 内 核 会 进 行 如 下 操 作 授 予 访 问 权 限 在 中 创 建 一 个 向 软 件 提 供 条 目 的 位 置 文 件 描 述 符 由 唯 一 的 非 负 整 数 组 成 ， 系 统 上 每 个 打 开 的 文 件 至 少 存 在 一 个 文 件 描 述 符 。 文 件 描 述 符 最 初 在   U n i x   中 使 用 ， 并 且 被 包 括   L i n u x ， m a c O S   和   B S D   在 内 的 现 代 操 作 系 统 所 使 用 。 当 一 个 进 程 成 功 访 问 一 个 打 开 的 文 件 时 ， 内 核 会 返 回 一 个 文 件 描 述 符 ， 这 个 文 件 描 述 符 指 向 全 局 文 件 表 的   e n t r y   项 。 这 个 文 件 表 项 包 含 文 件 的   i n o d e   信 息 ， 字 节 位 移 ， 访 问 限 制 等 。 例 如 下 图 所 示 默 认 情 况 下 ， 前 三 个 文 件 描 述 符 为   、 c l o s e 全 局 文 件 表 ( g l o b a l   f i l e   t a b l e ) 条 目 ( e n t r y ) S T D I N ( 标 准 输 入 ) S T D O U T ( 标 准 输 出 )
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