Linux磁盘系统——磁盘系统简介

Linux磁盘系统——磁盘系统简介

摘要：本文主要学习了Linux系统中有关磁盘的一些知识。

文件系统

说明

硬盘是用来存储数据的，可以将其想象成柜子，只不过柜子是用来存储衣物的。新买来的硬盘，通常要对其进行分区并格式化。分区就如同把一个大柜按照要求分割成几个小柜子。格式化就好比在每个小柜子中打入隔断，决定每个隔断的大小和位置，然后在柜门上贴上标签，标签中写清楚每件衣服保存的隔断的位置和这件衣服的一些特性。

在格式化的过程中会向硬盘中写入文件系统。因为不同的操作系统，管理文件的方式也不尽相同（给文件设定的属性和权限也不完全一样），因此，为了使硬盘有效存放当前系统中的文件数据，就需要将硬盘进行格式化，令其使用和操作系统一样（或接近）的文件系统格式。

不同的文件系统，其运作模式和操作系统的文件数据有关。

虚拟文件系统

文件系统指文件存在的物理空间。在Linux系统中，每个分区都是一个文件系统，都有自己的目录层次结构。

Linux的最重要特征之一就是支持多种文件系统，这样它更加灵活，并可以和许多其它种操作系统共存。

Virtual File System（虚拟文件系统）使得Linux可以支持多个不同的文件系统，由于系统已将Linux文件系统的所有细节进行了转换，所以Linux核心的其它部分及系统中运行的程序将看到统一的文件系统。

Linux的虚拟文件系统允许用户同时能透明地安装许多不同的文件系统，虚拟文件系统是为Linux用户提供快速且高效的文件访问服务而设计的。

文件系统类型

minix：在Minix操作系统上使用的文件系统，Linux上运行的第一种文件系统。它有很多限制：64M分区大小限制，短文件名，唯一时间戳等等。只有软盘或者RAM中可能用的到。

ext：minix文件系统的复杂扩展，Linux中最早的文件系统，由于在性能和兼容性上具有很多缺陷，已经被ext2文件系统完全取代。

ext2：是ext文件系统的扩展，可以给Linux的文件系统提供最佳支持（主要是速度和CPU使用上），支持最大16TB的分区和最大2TB的文件。

ext3：是ext2文件系统的扩展，最大的区别就是带日志功能，以便在系统突然停止时提高文件系统的可靠性，支持最大16TB的分区和最大2TB的文件。

ext4：是ext3文件系统的扩展。ext4在性能、伸缩性和可靠性方面进行了大量改进，支持最大1EB文件系统和16TB文件、无限数量子目录、Extents连续数据块的概念、快速FSCK、日志校验、无日志模式、等。它是CentOS 6的默认文件系统。

xfs：xfs是一个64位文件系统，最大支持8EB减1字节的单个文件系统，实际部署时取决于宿主操作系统的最大块限制。对于一个32位Linux系统，文件和文件系统的大小会被限制在16TB。它是CentOS 6的默认文件系统。

swap：swap是Linux中用于交换分区的文件系统（类似于Windows中的虚拟内存），当内存不够用时，使用交换分区暂时替代内存。一般大小为内存的2倍，但是不要超过2GB。它是Linux的必需分区。

nfs：nfs是网络文件系统（Network File System）的缩写，是用来实现不同主机之间文件共享的一种网络服务，本地主机可以通过挂载的方式使用远程共享的资源。

iso9660：光盘的标准文件系统。Linux要想使用光盘，必须支持iso9660文件系统。

fat：就是Windows下的fatl6文件系统，在Linux中识别为fat。

vfat：就是Windows下的fat32文件系统，在Linux中识别为vfat。支持最大32GB的分区和最大4GB的文件。

ntfs：就是Windows下的ntfs文件系统，不过Linux默认是不能识别ntfs文件系统的，如果需要识别，则需要重新编译内核才能支持。它比fat32文件系统更加安全，速度更快，支持最大2TB的分区和最大64GB的文件。

ufs：Sun公司的操作系统Solaris和SunOS所采用的文件系统。

proc：Linux中基于内存的虚拟文件系统，用来管理内存存储目录/proc。

sysfs：和proc一样，也是基于内存的虚拟文件系统，用来管理内存存储目录/sysfs。

tmpfs：也是一种基于内存的虚拟文件系统，不过也可以使用swap交换分区。

硬盘分区

含义

磁碟的组成主要有磁碟盘、机械手臂、磁碟读取头与主轴马达所组成，而资料的写入其实是在磁碟盘上面。磁碟盘上面又可细分出磁区（Sector）与磁轨（Track）两种单位，其中磁区的物理量设计有两种大小，分别是512B与4KB。

整个磁碟的第一个磁区特别的重要，因为他记录了整颗磁碟的重要数据。早期磁碟使用的分割格式称为MBR（Master Boot Record）格式，但是由于近年来磁碟的容量不断扩大，造成读写上的一些困扰，甚至有些大于2TB以上的磁碟分割已经让某些作业系统无法存取，因此后来又多了一个新的磁碟分割格式，称为GPT（GUID Partition Table）。

分区格式

1）MBR

早期的Linux系统为了兼容于Windows的磁碟，因此使用的是支持Windows的MBR（Master Boot Record）的方式来处理开机管理程序和分割表。而开机管理程序纪录区与分割表则通通放在磁碟的第一个磁区，这个磁区通常是512B的大小（旧的磁碟磁区都是512B），所以说，第一个磁区512B会有这两个数据：

主要开机记录（Master Boot Record，MBR）：可以安装开机管理程序的地方，有446B。
分割表（Partition Table）：记录整颗硬碟分割的状态，有64B。

由于分割表所在区块仅有64B容量，因此最多仅能有四组分区，每组分区记录了该区段的启始与结束的磁柱号码，可以通过扩展分区的方式增加分区的个数。

一个磁盘最多只能有一个扩展分区，扩展分区不能够格式化，里面可以分出逻辑分区。逻辑分区的区号从sda4开始，前面3个分区是保留给主分区使用的，第4个分区sda4代表扩展分区。

2）GPT

因为最新的磁盘的扇区有可能为4K，因此GPT为了和MBR相兼容，使用了逻辑区块位址（Logical Block Address，LBA）来代替扇区，GPT将磁碟所有区块以此LBA（预设为512B）来规划，第一个LBA称为LBA0（从0开始编号）。

LBA0中446字节存储开机管理程序，而在原本的分割表的纪录区内，仅放入一个特殊标志的分割，用来表示此磁碟为GPT格式。

LBA1纪录了分割表本身的位置与大小，同时纪录了备份用的LBA区块放置的位置。

在LBA2区块到LBA33区块，每个LBA可以记录四个分区信息，因此可以记录32*4=128个分区信息。每个LBA为512B，因此每个分区使用128B来记录，用64B来记录分区的起始或结束LBA，因此一个分区理论最大为2^64*512B=2^33TB。

开机流程中的开机检测程式

基本上，目前的主机系统在载入硬体驱动方面的程序，主要有早期的BIOS与新的UEFI两种机制。

1）BIOS

BIOS是一个写入到主机板上的一个程序，是开机时电脑系统会主动执行的第一个程序。

接下来BIOS会去分析电脑里面有哪些储存设备，我们以硬碟为例，BIOS会依据使用者的设定去取得能够开机的硬碟，并且到该硬碟里面去读取第一个磁区的MBR位置。MBR这个仅有446B的硬碟容量里面会放置最基本的开机管理程序，此时BIOS就功成圆满，而接下来就是MBR内的开机管理程序的工作了。

2）UEFI

如果你的分割表为GPT格式的话，那么BIOS也能够从LBA0的区块读取第一阶段的开机管理程序码。如果你的开机管理程序能够认识GPT的话，那么使用BIOS同样可以读取到正确的作业系统核心。

换句话说，如果开机管理程序不懂GPT，那自然就无法读取核心档案，开机就失败了。

由于LBA0仅提供第一阶段的开机管理程序，因此如果你使用类似GRUB的开机管理程序的话，那么就得要额外分出一个BIOS Boot的分割槽，这个分割槽能够放置其他开机过程所需的程序。在CentOS当中，这个分割槽通常占用2MB左右而已。

为了解决这个问题，因此就有了UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）这个统一可延伸程序界面的产生。UEFI直接从预启动的操作环境加载操作系统，简化开机过程有效提高启动速度。

另外，与BIOS模式相比，虽然UEFI可以直接取得GPT的分割表，不过最好依旧拥有BIOS Boot的分割槽支援。同时，为了与Windows兼容，并且提供其他第三方厂商所使用的UEFI应用程式储存的空间，你必须要格式化一个vfat的档案系统，大约提供512MB到1G左右的容量，以让其他UEFI执行较为方便。

硬盘分区的好处

1）方便管理和控制

首先，可以将系统中的数据（也包括程序）按不同的应用分成几类，之后将这些不同类型的数据分别存放在不同的磁盘分区中。由于在每个分区上存放的都是类似的数据或程序，这样管理和维护就简单多了。

2）提高系统的效率

给硬盘分区，可以直接缩短系统读写磁盘时磁头移动的距离，也就是说，缩小了磁头搜寻的范围；反之，如果不使用分区，每次在硬盘上搜寻信息时可能要搜寻整个硬盘，所以速度会很慢。另外，硬盘分区也可以减轻碎片（文件不连续存放）所造成的系统效率下降的问题。

3）使用磁盘配额的功能限制用户使用的磁盘量

由于限制用户使用磁盘配额的功能，只能在分区一级上使用，所以，为了限制用户使用磁盘的总量，防止用户浪费磁盘空间（甚至将磁盘空间耗光），最好将磁盘先分区，然后在分配给一般用户。

4）便于备份和恢复

硬盘分区后，就可以只对所需的分区进行备份和恢复操作，这样的话，备份和恢复的数据量会大大地下降，而且也更简单和方便。

挂载硬件设备

为什么要挂载

Linux系统中“一切皆文件”，所有文件都放置在以根目录为树根的树形目录结构中。在Linux看来，任何硬件设备也都是文件，它们各有自己的一套文件系统（文件目录结构）。

因此产生的问题是，当在Linux系统中使用这些硬件设备时，只有将Linux本身的文件目录与硬件设备的文件目录合二为一，硬件设备才能为我们所用。合二为一的过程称为“挂载”。如果不挂载，通过Linux系统中的图形界面系统可以查看找到硬件设备，但命令行方式无法找到。

什么是挂载

挂载，指的就是将设备文件中的顶级目录连接到Linux根目录下的某一目录（最好是空目录），访问此目录就等同于访问设备文件。由于挂载操作会使得原有目录中文件被隐藏，因此根目录以及系统原有目录都不要作为挂载点，会造成系统异常甚至崩溃，挂载点最好是新建的空目录。Linux系统使用任何硬件设备，都必须将设备文件与已有目录文件进行挂载。

根目录下的/dev/目录文件负责所有的硬件设备文件，事实上，当U盘插入Linux后，系统也确实会给U盘分配一个目录文件，就位于/dev/目录下，但无法通过目录文件直接访问U盘数据，访问此目录只会提供给你此设备的一些基本信息（比如容量）。