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本节所讲内容：

  13.1  硬盘结构

  13.2  文件系统结构

  13.2  硬链接和软链接

  13.4  实战：解决磁盘有空间但创建不了文件-修复服务器文件系统

 

13.1  硬盘结构

文件系统结构，理解文件系统，要从文件储存说起。

硬盘结构：

 

 

互动：磁盘内部是真空的吗？   是：1  ，不是：2

 

磁盘内部不是真空，只不过里面的空气很干净。如果是真空，还不利于散热,会造成内部气体膨胀影响磁头的稳定性。

还有一些硬盘里面不是普通空气，而是惰性气体：氦（hai害）气。它的好处是密度比空气小，可以减小磁盘转动阻力。但是充满氦气磁盘如果漏气会就损坏（常见于企业级）。

 

磁盘相关专业术语：

硬盘的内部是金属盘片，将圆形的盘片划分成若干个扇形区域，这就是扇区。若干个扇区就组成整个盘片。为什么要分扇区？是逻辑化数据的需要，能更好的管理硬盘空间。 以盘片中心为圆心，把盘片分成若干个同心圆，那每一个划分圆的“线条”，就称为磁道。

硬盘内的盘片有两个面，都可以储存数据，而硬盘内的盘片往往不止一张，常见的有两张，那么，两张盘片中相同位置的磁道，就组成一个“柱面”，盘片中有多少个磁道，就有多少个柱面。盘片两面都能存数据，要读取它，必须有磁头，所以，每一个面，都有一个磁头，一张盘片就有两个磁头。

硬盘的存储容量=磁头数×磁道（柱面）数×每道扇区数×每道扇区字节数。

磁道从外向内自0开始顺序进行编号，各个磁道上的扇区数是在硬盘格式化时确定的。 

 

文件储存在硬盘上，硬盘的最小存储单位叫做"扇区"（Sector）。每个扇区储存512字节（相当于0.5KB）。 

比较古老的CHS (Cylinder/Head/Sector ：磁头(Heads)、柱面(Cylinder)、扇区(Sector)）结构体系. 因为很久以前，在硬盘的容量还非常小的时候，人们采用与软盘类似的结构生产硬盘。也就是硬盘盘片的每一条磁道都具有相同的扇区数，由此产生了所谓的3D参数，即是磁头数（Heads）、柱面数（Cylinders）、扇区数（Sectors）以及相应的3D寻址方式。 

 

 

互动 ： 如上的磁盘结构有没有问题？？？

这种结构有问题：

以前老式的磁盘，每个磁道的扇区都一样，这样外磁道整个弧长要大于内部的扇区弧长，因而其磁记录密度就要比内部磁道的密度要小。最终，导致了外部磁道的空间浪费。

 

如查你磁盘设计工程师，你打算怎么解决？  你选择下面哪种方法？

方法1：每个磁道的宽度不一样，从而让每个扇区面积尽量一样

方法2：不再一刀切，让磁道中的扇区数量可以不一样

 

 

现在硬盘都采用这种技术：ZBR（Zoned Bit Recording）区位记录        （Zoned  zōnd ）

Zoned-bit recording（ZBR 区位记录）是一种物理优化硬盘存储空间的方法，此方法通过将更多的扇区放到磁盘的外部磁道而获取更多存储空间。

ZBR磁盘扇区结构示意图

 

 

 

互动: 从外面读数据快？ 还是从里面快？  里：1  外：2

 

 

使用ZBR 区位记录法做的磁盘有以下特点：读外圈的数据快，读内圈的数据慢，所以测试硬盘经常看到读取速度越来越慢的曲线图就很正常了。

 

 

 

互动：windows安装系统的C盘或Linux boot分区一般安装在磁盘最外面还是最里面？

windows ： C盘安装最外，速度也是最快

Linux ： boot分区和 swap分区，装最外面

磁盘写数据时，先从外面往里。

操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区的读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，一次性读取一个“块”（block）。这种由多个扇区组成的“块”，是文件存取的最小单位。“块”的大小，最常见的是1kb（连续2个“sector扇区”组成一个“block块”），（4kb块 4096字节 就是8个“sector扇区”组成），一个扇区是512字节。

[root@xuegod63 ~]# stat /etc/passwd  #查看Linux 系统的“块block” 大小

  文件："/etc/passwd"

  大小：2053       块：8          IO 块：4096字节 =4KB  普通文件

 

 

 

Windows文件右击属性查看大小：  说明我的windows的NTFS文件系统中默认的簇大小为4KB

Windows里的簇相当于linux中的block块，都是文件的最小存取单位，由多个扇区组成。

 

13.2  文件系统结构

Linux文件系统由三部分组成 ： 文件名，inode，block

Linux文件系统： ext3,ext4，xfs

windows文件系统： FAT32，NTFS

 

13.2.1  文件名

[root@xuegod63 ~]# cp /etc/passwd a.txt

[root@xuegod63 ~]# ls a.txt  # a.txt 就是文件名

 

13.2.2  inode的内容

inode包含文件的元信息，具体来说有以下内容：

* 文件的字节数

* 文件拥有者的User ID

* 文件的Group ID

* 文件的读、写、执行权限

* 文件的时间戳，共有三个：ctime指inode上一次变动的时间，mtime指文件内容上一次变动的时间，atime指文件上一次打开的时间。

* 链接数，即有多少文件名指向这个inode

* 文件数据block的位置

 

可以用stat命令，查看某个文件的inode信息：

[root@centos60 ~]# echo $LANG                  #查看语言环境变量

[root@centos60 ~]# LANG=en_US.UTF-8          #语言环境变量改为英文

[root@centos60 ~]# LANG=zh_CN.UTF-8          #语言环境变量改为中文

 

[root@xuegod63 ~]# stat a.txt

  File: ‘a.txt’

  Size: 2053       Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file

Device: 803h/2051d Inode: 18521833    Links: 1

Access: (0644/-rw-r--r--)  Uid: (    0/    root)   Gid: (    0/    root)

Access最近访问时间: 2018-05-16 14:55:36.061095050 +0800

Modify最近更改时间: 2018-05-16 14:55:36.062095050 +0800

Change最近改动时间: 2018-05-16 14:55:36.062095050 +0800

 Birth创建时间: -

[root@xuegod63 ~]#  ll /etc/passwd #ll 其实就是查看passwd的inode信息

-rw-r--r--. 1 root root 2053 Sep 19  2017 /etc/passwd #ll查看到时间是mtime时间（文件内容修改时间）

 

互动：

ctime是什么？  是创建时间吗？ 不会：1

mtime ： modify time  修改文件内容的时间

atime  ： access time   访问文件内容的时间

ctime指inode上一次文件属性变动的时间，change time 。 比如： chmod +x  a.sh

mtime指文件内容上一次变动的时间，modify time  。

如：echo aa >> a.sh 或vim  a.sh 修改内容

atime指文件上一次查看文件的时间，access time 。 如：  cat  a.sh

 

例2:测试mtime时间，黑客先修改时间，再植入木马程序，防止 find / -mtime 查看木马文件

[root@xuegod63 ~]# stat a.txt #查看时间

[root@xuegod63 ~]# date -s '13:42'   #修改时间  

[root@xuegod63 ~]# vim a.txt #写入aaaa 

[root@xuegod63 ~]# stat a.txt #查看时间

[root@xuegod63 ~]# chmod +x a.txt

注意：这里的思路是先改时间，然后修改文件，最后恢复时间，这样你按时间查找文件，就找不到

[root@xuegod63 ~]# hwclock -s       #以硬件时间为准，同步到系统时间

 

[root@xuegod63 ~]# yum -y install ntpdate

[root@xuegod63 ~]# ntpdate ntp1.aliyun.com #通过轮询指定正确时间的 NTP 服务器来校正本地系统时间

 

13.2.3  inode的大小

inode也会消耗硬盘空间，所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。

每个inode节点的大小，一般是128字节或256字节。inode节点的总数，在格式化时就给定，假定在一块1GB的硬盘中，每个inode节点的大小为128字节，每1KB就设置一个inode，那么inode table的大小就会达到128MB，占整块硬盘的12.8%。

inode号码

每个inode都有一个号码，操作系统用inode号码来识别不同的文件。

 Unix/Linux系统内部不使用文件名，而使用inode号码来识别文件。对于系统来说，文件名只是inode号码便于识别的别称或者绰号。表面上，用户通过文件名，打开文件。实际上，系统内部这个过程分成三步：首先，系统找到这个文件名对应的inode号码；其次，通过inode号码，获取inode信息；最后，根据inode信息，找到文件数据所在的block，读出数据。

 

例1： 使用ls -i命令，可以看到文件名对应的inode号码

[root@xuegod63 ~]# ls -i a.txt

440269 a.txt

 

例2：查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量，可以使用df命令。

[root@localhost ~]# df -i

Filesystem            Inodes   IUsed   IFree IUse% Mounted on

/dev/sda2             640848  151010  489838   24% /

tmpfs                 145579       1  145578    1% /dev/shm

/dev/sda1              51200      38   51162    1% /boot

注：由于每个文件都必须有一个inode，因此有可能发生inode已经用光，但是硬盘还未存满的情况。这时，就无法在硬盘上创建新文件。

 

13.2.4  目录文件

Unix/Linux系统中，目录（directory）也是一种文件。打开目录，实际上就是打开目录文件。 

目录文件的结构非常简单，就是一系列目录项的列表。每个目录项，由两部分组成：所包含文件的文件名，以及该文件名对应的inode号码。

[root@xuegod63 ~]# ls -id /etc

8388673 /etc

 例：ls -i命令列出整个目录文件，即文件名和inode号码：

[root@xuegod63 ~]# ls -i /etc

 

13.2.5  block块大小

block 是真正存储数据的地方。  

block是 文件系统 中最小的存储单位

扇区 是  磁盘    中最小的存储单位

 

在linux下中叫：block，在windows中叫：簇

 

互动：为什么要有block，直接使用扇区可以吗？直接往扇区上写数据就好了，为什么要搞block？

 

操作系统读取硬盘的时候，不会一个个扇区（512字节）地读取，这样效率太低，而是一次性连续读取多个扇区，即一次性读取一个"块"（block）。这种由多个扇区组成的"块"，是文件存取的最小单位。"块"的大小，最常见的是1KB，即连2个 sector扇区组成一个 block。或4K。

 

情景： 如果没有block？ 会怎么样？

夜深人静，下了3.6G  cang.avi 的电影，一次读512B ， 寻址次数太多，太慢了。。。  

结果。。。你懂得 。。。？

 

 

block调大：

优点： 速度快，节约寻址时间，缺点：空间浪费

比如： 2T硬盘, 前1.5Ｔ，使用4K， 把剩下的500G格式化成64K簇。用空间换时间

 

例：查看Linux系统块大小

[root@xuegod63 ~]# stat /etc/passwd | grep IO

  大小：2053       块：8          IO 块：4096   普通文件

#block到是4K

总结：

硬盘的结构：ZBR 区位记录

inode（inode表中主要看inode号）

inode号唯一标识一个文件（一个文件系统里面）

inode用完了，文件就不能创建了。

inode数据量设置大一些：可以创建多个文件。占用空间比较大

inode数据量设置小一些：可以创建很少文件。占用空间比较小

 

block

block设置大：效率高，利用率低。(用空间换时间)

block设置小：效率低，利用率高。（用时间换空间）

 

13.3  文件的硬链接和软链接

13.3.1  Linux链接概念

Linux链接分两种，一种被称为硬链接（Hard Link），另一种被称为软链接，即符号链接（Symbolic Link）。默认情况下，ln命令产生硬链接。

【硬连接】：硬连接指通过索引节点号来进行连接。inode是可以对应多个文件名的

在Linux的文件系统中，保存在磁盘分区中的文件不管是什么类型都给它分配一个编号，称为索引节点号(Inode Index)。

在Linux中，多个文件名可以指向同一索引节点。一般这种连接就是硬连接。

硬连接的作用是允许一个文件拥有多个有效路径名，这样用户就可以建立硬连接到重要文件，以防止“误删”的功能。

只删除一个连接并不影响索引节点本身和其它的连接，只有当最后一个连接被删除后，文件的数据块及目录的连接才会被释放。也就是说，文件真正删除的条件是与之相关的所有硬连接文件均被删除。

【软连接】：另外一种连接称之为符号连接（Symbolic Link），也叫软连接。软链接文件有类似于Windows的快捷方式。它实际上是一个特殊的文件。在符号连接中，文件实际上是一个文本文件，其中包含的有另一文件的位置信息。

 

13.3.2  实战-1: ln命令创建硬链接

语法格式：ln 源文件 目标文件

[root@xuegod63 ~]# echo 1111 > a.txt

 

 

硬链接的原理就是多个文件名指向同一个inode，因此多个文件名共用一个inode号，达到共享与备份的目的，也可以理解为硬链接就是指向inode号的引用，删除一个硬链接并没有删除数据，只是删除了对这个inode的引用 

注意：源文件被删除，不影响链接文件的正常使用，因为2个文件都只是对inode的引用

 

 

硬链接不能针对目录创建

 

 

硬链接不能跨分区进行创建

 

 

硬链接的特点: 无法针对目录,跨分区无法实现。因为每个分区都有自己独立的INDOE编号

每个分区在格式化之前就指定inode数据元信息存放区和文件数据存放区,所以inode和数据的对应关系就会在一个分区里面关联，而硬链接的文件是同分区下指向同一个inode的两个文件,故硬链接不能夸分区.那当我在A分区下为文件aa建立硬链接bb的时候,我编辑bb文件,aa文件内容也会跟着改变,那么当我把bb移动到另一个分区的时候 bb的inode号发生了变化. bb文件的变化已经不会对aa文件造成影响了,说明跨分区生成了bb新的inode元数据库,跟之前分区的inode元数据没有关系了

2《《

互动：为什么刚创建的一个目录，链接数就是2？

[root@xuegod63 ~]# mkdir test

[root@xuegod63 ~]# ll -d test/

drwxr-xr-x 2 root root 6 5月  16 15:55 test/

默认新一个空目录，此目录的第二字段就是2（包含两个隐藏目录，因为每一个目录都有一个指向它本身的子目录"." 和指向它上级目录的子目录".."），所以test是一个链接， 隐藏目录. 是第二个链接

[root@xuegod63 ~]# ll -a test        #显示隐藏文件

[root@xuegod63 ~]# ll -id test/    #两个inode号是一样的

2453723 drwxr-xr-x 2 root root 6 5月  16 15:55 test/

[root@xuegod63 ~]# ll -id test/.

2453723 drwxr-xr-x 2 root root 6 5月  16 15:55 test/.

[root@xuegod63 ~]# ll -id test/..

16797761 dr-xr-x---. 5 root root 282 12月 12 14:31 test/..

[root@xuegod63 ~]# ll -id /root

16797761 dr-xr-x---. 5 root root 282 12月 12 14:31 /root

 

13.3.3  ln -s 创建软连接

软链接：相当于windows中的快捷方式

语法：ln  -s  源文件  软链接的名字

例：

[root@xuegod63 ~]# cp /etc/passwd a.txt

[root@xuegod63 ~]# ln -s a.txt a-link.txt

[root@xuegod63 ~]# ll a-link.txt

lrwxrwxrwx 1 root root 5 5月  16 16:10 a-link.txt -> a.txt

[root@xuegod63 ~]# rm -rf a.txt

[root@xuegod63 ~]# ll a-link.txt

lrwxrwxrwx 1 root root 5 5月  16 16:10 a-link.txt -> a.txt

 

注：源文件被删除，链接文件失效

例2：能针对目录和跨分区创建软链接

[root@xuegod63 ~]# ln -s /boot/grub grub-link

 

能跨分区创建（源文件必须写绝对路径）

[root@xuegod63 ~]# cd /boot/

[root@xuegod63 boot]# ln -s ./grub /root/aaa

[root@xuegod63 boot]# ll /root/aaa

lrwxrwxrwx 1 root root 6 5月  16 16:21 /root/aaa -> ./grub  #报错了

 

13.3.4  inode的特殊作用

由于inode号码与文件名分离，这种机制导致了一些Unix/Linux系统特有的现象。

1. 有时，文件名包含特殊字符，无法正常删除。这时，直接删除inode节点，就能起到删除文件的作用。

2. 移动文件或重命名文件，只是改变文件名，不影响inode号码。

3. 打开一个文件以后，系统就以inode号码来识别这个文件，不再考虑文件名。因此，通常来说，系统无法从inode号码得知文件名。

互动：为什么每次修改完服务器配置文件后，都需要重新加载一下配置文件？

因为vim每次修改完后，Inode号都会变。

[root@xuegod63 ~]# cp /etc/passwd passwd

[root@localhost ~]# ls -i passwd

393418 passwd

[root@localhost ~]# vim passwd     #添加一些内容

[root@localhost ~]# ll -i passwd

440252 -rw-r--r-- 1 root root 1813 Dec 29 12:04 passwd

就是为什么每次修改完服务器的配置文件，都要重启服务，重新读一下配置文件。

（vim打开文件时会有swp缓存文件，关闭时会用swp重命名，所以inode会变）

 

13.4  实战：解决磁盘有空间但创建不了文件-修复服务器文件系统

13.4.1  解决磁盘有空间但创建不了文件

实战场景：在一台配置较低的Linux服务器（内存、硬盘比较小）的/data分区内创建文件时，系统提示磁盘空间不足，用df -h命令查看了一下磁盘使用情况，发现/data分区只使用了80%，还有1.9G的剩余空间，但是无法创建新的文件。当时使用的是root用户。服务器没有被黑。

df -h

文件系统          容量    已用  可用   已用%  挂载点

/dev/sda3        10G   8.0G  1.9G   80%    /

 

常识： 只要权限够，磁盘上有空间一定可以创建文件。 这个是错的。

排查：

df -i  

文件系统         Inode     已用(I)     可用(I)         已用(I)%   挂载点

/dev/sda3      5242880   5242880    0              100%        /

#后来用df -i查看了一下/data所在的分区的索引节点(inode)，发现已经用满(IUsed=100%)，导致系统无法创建新目录和文件。

查找原因：

/data/cache目录中存在数量非常多的小字节缓存文件，占用的Block不多，但是占用了大量的inode。

 

解决方案1：删除/data/cache目录中的部分文件，释放出/data分区的一部分inode。

解决方案2 : 在/data备份好一些文件，然后删除这些文件，释放一些inode，然后创建一个文件夹/data/cache2。在cache2下挂载一个新分区： sda4  ，下次写数据需要写到新分区cache2目录下。

 

inode分区完后，可以增加吗？ 不可以。  inode总数是在格式化时定下来。有兴趣的可以自行扩展

13.4.2  实战：修复服务器文件系统

实战场景：公司服务器突然断电后，再次启动后，报如下错误。

 

 

解决方法：

fsck（英文全拼：file system check）

命令用于检查与修复 Linux 档案系统，可以同时检查一个或多个 Linux 档案系统。

输入root 密码

输入密码后，报错是哪个分区坏了，就修复哪个分区，修复的时候，可能会丢失数据，如果有重要数据的话，一定要和领导说一声。

fsck -f -y  /dev/sda1   #把引导分区文件系统修复一下  # 慎用，给领导说一声

fsck -f -y  /dev/sda3   #把根分区文件系统修复一下    # 慎用，给领导说一声

reboot  重启

fsck参数：

-y 对所有问题都回答 "yes"

-f 即使文件系统标记为 clean 也强制进行检查

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