作者：Sheryl Calish
究竟什么是“文件系統(tǒng)”？Sheryl Calish 介紹了這個概念以及它的實(shí)際應(yīng)用
盡管內(nèi)核是 Linux 的核心，但文件卻是用戶與操作系統(tǒng)交互所采用的主要工具。這對 Linux 來說尤其如此，這是因?yàn)樵?UNIX 傳統(tǒng)中，它使用文件 I/O 機(jī)制管理硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)文件。
遺憾的是，新手通常會混淆介紹 Linux 文件系統(tǒng)概念的術(shù)語。術(shù)語文件系統(tǒng) 可以在 Linux 文件編制中互換使用，用于指代幾個不同但相關(guān)的概念。除磁盤分區(qū)的具體實(shí)例外，文件系統(tǒng)還指代數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及分區(qū)中文件的管理方法。
另新手更感困惑的是，該術(shù)語還用于指代系統(tǒng)中文件的整體組織形式：目錄樹。此外，該術(shù)語還可以指代目錄樹中的每個子目錄，如在 /home 文件系統(tǒng)中。某些人認(rèn)為，這些目錄和子目錄不能稱作真正意義上的文件系統(tǒng)，除非它們均駐留在各自的磁盤分區(qū)上。然而，其他人卻將其稱作文件系統(tǒng)，這無疑又增添了困惑。
Linux 老手可以從上下文中理解這些術(shù)語的含義。而新手卻很難在一時半會兒就辨別出這樣的上下文。
本文的主要目標(biāo)就是提供足夠的背景知識，以幫助您辨別此術(shù)語的上下文。在闡明文件系統(tǒng)術(shù)語的細(xì)微差別的過程中，您還將學(xué)習(xí)如何將某些非常有用的相關(guān)工具從理論應(yīng)用上升到實(shí)際應(yīng)用。
本文主要介紹了 2.4 版 Linux 內(nèi)核中的 Linux 磁盤分區(qū)和文件管理系統(tǒng)特性。此外，還介紹了 2.6 版 Linux 內(nèi)核中的新特性。
磁盤分區(qū)概述
Linux 和 UNIX 中的基本文件存儲單元都是磁盤分區(qū)，即將一個或多個硬盤的邏輯劃分，操作系統(tǒng)將每個邏輯分區(qū)視為獨(dú)立的磁盤。文件和文件管理系統(tǒng)“居住”在磁盤分區(qū)中。Linux 將這些磁盤分區(qū)作為設(shè)備處理，進(jìn)而通過 /dev 目錄中的特殊文件使用文件 I/O 機(jī)制。
有兩種類型的設(shè)備文件：塊和字符/原始。兩者之間的一個重要差別是，塊設(shè)備被緩沖，而字符設(shè)備因?yàn)闆]有文件管理系統(tǒng)，所以不被緩沖。在 Oracle 集群文件系統(tǒng) (OCFS) 推出之前，使用原始設(shè)備是提高 Oracle 數(shù)據(jù)文件分區(qū)性能的常見方法。（在本文的后續(xù)部分，我們將詳細(xì)介紹原始設(shè)備。）
存儲在磁盤最開始位置的分區(qū)表提供了該磁盤上分區(qū)的映射。可以使用 fdisk 命令查看系統(tǒng)的分區(qū)表。
# fdisk -l
Disk /dev/hda:240 heads, 63 sectors, 1940 cylinders
Units = cylinders of 15120 * 512 bytes
Device Boot Start End Blocks Id System
/dev/hda 1 286 2162128+ c Win95 FAT32 (LBA)
/dev/hda2 * 288 1940 12496680 5 Extended
/dev/hda5 288 289 15088+ 83 Linux
/dev/hda6 290 844 4195768+ 83 Linux
/dev/hda7 845 983 1050808+ 82 Linux swap
/dev/hda8 984 1816 6297448+ 83 Linux
/dev/hda9 1817 1940 937408+ 83 Linux
分區(qū)表中的名稱 /dev/hda 至 /dev/hdd 分別代表 IDE 驅(qū)動器 1 至 4，其中 hda 代表驅(qū)動器 1，hdb 代表驅(qū)動器 2，依此類推。驅(qū)動器內(nèi)的分區(qū)用數(shù)字指代，因此 /dev/hda5 是第一個 IDE 驅(qū)動器上的第五個分區(qū)。對于 SCSI 驅(qū)動器，使用了類似的命名模式：/dev/sda to /dev/sdd。
第一至第四個分區(qū)保留給主分區(qū)，第五個及隨后的分區(qū)用于邏輯分區(qū)。因此，以上所示的分區(qū)表中有一個驅(qū)動器 hda，它包含一個主分區(qū) hda1、一個擴(kuò)展分區(qū) hda2 和五個邏輯分區(qū) /dev/hda5 至 /dev/hda9。以名稱 shmfs 列出的文件系統(tǒng)表示根據(jù) Linux 2.4 中的 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)掛載為特殊文件系統(tǒng)的共享內(nèi)存文件系統(tǒng)。
您可能已經(jīng)注意到，在 fdisk 列表中 LBA 是括在括號中的。LBA 表示邏輯塊尋址，它將硬盤的柱面、塊和扇區(qū)模式轉(zhuǎn)換為線性塊編號進(jìn)行處理。
在 Linux 中，分區(qū)分為主分區(qū)、擴(kuò)展分區(qū)和邏輯分區(qū)。術(shù)語主分區(qū) 是先前 x86 系統(tǒng)上四個分區(qū)限制的遺留產(chǎn)物。與 DOS 和 Windows 不同，Linux 可以從主分區(qū)或邏輯分區(qū)啟動。用作邏輯分區(qū)占位符的主分區(qū)稱作擴(kuò)展分區(qū)。擴(kuò)展分區(qū)本身擁有指向一個或多個邏輯分區(qū)（它們只是主分區(qū)的子分區(qū)）的分區(qū)表。在以上的 fdisk 列表中，hda2 就是一個擴(kuò)展分區(qū)。
文件管理系統(tǒng)概述
要使分區(qū)后的磁盤可用，必須在其上構(gòu)建文件系統(tǒng)。這種情況下，通常還將文件系統(tǒng)稱作“分區(qū)類型”、“基于磁盤的文件系統(tǒng)”和“文件系統(tǒng)類型”。實(shí)際上，可以將這些文件系統(tǒng)看作是文件管理系統(tǒng)，這是因?yàn)樵摲Q呼正體現(xiàn)了它們的功能：它們通過維護(hù)文件上的元數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)上的文件保持狀態(tài)一致。
Linux 項(xiàng)目的特點(diǎn)之一是需要實(shí)現(xiàn)與每個可用實(shí)用程序的多個樣式和首選設(shè)置的兼容性，而這種兼容性在可用文件管理系統(tǒng)的選擇上體現(xiàn)得最為明顯。Linux 內(nèi)核內(nèi)部的虛擬文件系統(tǒng) (VFS) 實(shí)現(xiàn)了此選擇。VFS 采用了一組可由其他文件管理系統(tǒng)使用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是超級塊、inode、dentry（或目錄文件）和數(shù)據(jù)塊。
每個分區(qū)都包含一個超級塊，用于維護(hù)分區(qū)中文件系統(tǒng)上的信息，包括一組在每個超級塊中唯一編號的 inode、空閑 inode 的數(shù)目以及 inode 總數(shù)、數(shù)據(jù)塊總數(shù)、空閑數(shù)據(jù)塊數(shù)和文件系統(tǒng)的狀態(tài)。文件系統(tǒng)的狀態(tài)有兩種：干凈（當(dāng)文件處于未更改狀態(tài)時）和臟（當(dāng)有未寫入磁盤的文件系統(tǒng)更改時）。超級塊中的一個 inode 對應(yīng)著一個文件。
除文件名外，inode 包含了有關(guān)文件的所有信息，其中包括：
- 地址
- 類型
- 大小
- 所有者
- 對文件數(shù)據(jù)所在塊的引用
- 文件最后一次修改和訪問的時間戳。
可以使用以下命令查看文件的 inode：
$ ls -i
正如前面已經(jīng)提到的，inode 只在超級塊中唯一編號，且每個分區(qū)只有一個超級塊，這就是硬鏈接無法跨越多個分區(qū)的原因。
文件名通過 dentry 對象（用戶看到的是目錄文件）鏈接到一個 inode 編號。數(shù)據(jù)塊保存實(shí)際的文件數(shù)據(jù)。
Linux 支持任何具備 VFS 定義的基本函數(shù)集的文件管理系統(tǒng)。對于像 vfat 這樣的文件管理系統(tǒng)，Linux 項(xiàng)目提供了它自己的設(shè)備驅(qū)動程序。
您可以從以下輸出中看到，不同的文件管理系統(tǒng)可以存在于同一系統(tǒng)的不同分區(qū)上。
df -T
Filesystem Type 1K Blocks Used Available Use% Mounted on
/dev/hda6 reiserfs 4195632 2015020 2180612 49% /
/dev/hda5 ext2 14607 3778 10075 8% /boot
/dev/hda9 reiserfs 937372 202368 735004 22% /home
/dev/hda8 reiserfs 6297248 3882504 2414744 62% /opt
shmfs shm 256220 0 256220 0% /dev/shm
/dev/hda1 vfat 2159992 1854192 305800 86% /windows/C
當(dāng)前，Oracle 用戶遇到的最常用的文件管理系統(tǒng)是 ext2/ext3、ReiserFS（不受 Oracle 支持）和 OCFS。以下是非 Oracle 分區(qū)主要特性的匯總表。
| 特性 |
ext2 |
ext3 |
ReiserFS3.6（不受 Oracle 支持） |
| 最大分區(qū)大小 |
4TB |
4TB |
16TB |
| 最大文件大小 |
2GB-4GB |
2GB-4GB |
8TB |
| 塊大小 |
1KB-4KB |
1KB-4KB |
只有 4KB |
| 日志功能 |
無 |
是 |
有 |
| 崩潰后重新啟動 |
慢 |
快 |
非常快 |
| 用于恢復(fù)清除文件的工具 |
有 |
有 |
無 |
| 崩潰后數(shù)據(jù)的狀態(tài) |
良好 |
非常好 |
一般 |
| ACL 支持 |
有 |
有 |
無 |
| 穩(wěn)定性 |
優(yōu)秀 |
良好 |
良好 |
由于 ext2 和 ReiserFS 均提供了用戶級安全性以及更高效的磁盤空間使用等特性，因此盡管至少 ext2 確實(shí)提供了碎片整理工具，但幾乎不需要這些工具。Ext2 是傳統(tǒng)的、事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn) Linux 文件管理系統(tǒng)。它是 Red Hat 版本 Linux 的默認(rèn)文件管理系統(tǒng)，而 ReiserFS 是 SUSE 的默認(rèn)文件管理系統(tǒng)。ext2/ext3 的最大文件大小實(shí)際上取決于所選擇的塊大小和硬件體系結(jié)構(gòu)。ext2 的許多特性之一是它允許由磁盤分區(qū)決定塊大小。ReiserFS 技術(shù)允許在磁盤分區(qū)中使用可變的文件大小（這是因?yàn)樗谄胶鈽浼夹g(shù)而不是基于范圍），因此除日志功能以外，高效的空間使用也是其設(shè)計(jì)所固有的。
日志文件管理系統(tǒng)（如 ext3 和 ReiserFS）記錄對文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)：inode、空閑塊分配映射、inode 映射等的更改。當(dāng)系統(tǒng)崩潰時，可以通過此方式檢查日志以獲得最近修改的元數(shù)據(jù)，從而確保快速恢復(fù)文件系統(tǒng)。此功能對大型系統(tǒng)尤其重要。如果沒有此功能，則在出現(xiàn)硬件故障后，對于 ext2 等文件系統(tǒng)，需要在重新啟動時運(yùn)行 fsck 工具。對于大型文件系統(tǒng)，此過程可能要花費(fèi)幾個小時。
當(dāng)然，記錄日志需要付出一定的代價(jià)，即需要在處理時間和恢復(fù)之間尋求一個平衡。對于 ext3，可以選擇日志記錄模式，這些模式允許在尋求上述平衡時做出某些自主決定。journal 模式（記錄所有文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)塊和元數(shù)據(jù)）是最安全但也是最慢的模式。默認(rèn)模式（稱作 orderd）只記錄元數(shù)據(jù)，但在寫元數(shù)據(jù)之前先將數(shù)據(jù)塊寫入磁盤，從而在快速恢復(fù)和快速性能之間取得折衷。最快的模式是 writeback 模式，該模式只記錄元數(shù)據(jù)。在此模式中，可能會丟失文件數(shù)據(jù)，但文件系統(tǒng)自身的完整性將得到維護(hù)。
在編寫本文檔期間，Reiser4 剛好已經(jīng)發(fā)布。同 ReiserFS3.6 一樣，ReiserFS4 只記錄元數(shù)據(jù)。與 ReiserFS3.6 不同的是，它基于新的舞蹈樹算法，此算法似乎比平衡樹算法更快。它還可以擴(kuò)展到使用無數(shù)個 CPU，而且在磁盤寫入時具有內(nèi)置加密和壓縮功能。
OCFS 是 Oracle 真正應(yīng)用程序集群 (RAC)、配置文件和數(shù)據(jù)庫文件的指定文件管理系統(tǒng)。其他文件（甚至是 Oracle 軟件文件）將在 ext2/ext3 或 ReiserFS 上獲得更好的性能。
當(dāng)前，就文件管理系統(tǒng)的選擇來講，共同的見解是，除少數(shù)情況外，ext2、ext3 和 ReiserFS 之間的性能基本相當(dāng)。然而在各種系統(tǒng)的擁護(hù)者之間卻爆發(fā)了激烈的爭論。ReiserFS 由于能夠處理可變的文件大小，因此更適用于具有許多小文件的系統(tǒng)。當(dāng)然，如果您正要或計(jì)劃在 Linux 上運(yùn)行 Oracle RAC，則可能需要為 Oracle 數(shù)據(jù)文件和配置文件安裝 OCFS 或使用自動存儲管理 (ASM)。
除了最常見的 ext2/ext3 和 ReiserFS 文件系統(tǒng)以外，Linux 還支持其他本地文件系統(tǒng)，包括 IBM 的 jsf 和 SGI 的 xfs。對傳統(tǒng) UNIX 文件系統(tǒng)的支持包括 SYSV、BSD、Solaris、Next 和 Veritas VxFS。在各個級別支持的其他文件系統(tǒng)包括
- Microsoft 的 fat、ntfs、vfat、fat32
- IBM 的 hpfs (OS/2)
- Apple 的 Macintosh hfs
- Amiga 的 affs
- Acorn 磁盤文件系統(tǒng) adfs
請注意，Oracle 不支持某些文件系統(tǒng)，因此在使用這些文件系統(tǒng)時風(fēng)險(xiǎn)自負(fù)。
Linux 內(nèi)核 2.6 版中最重要的新特性是訪問控制列表 (ACL)。ACL 允許為一個或多個用戶列表或用戶組授予對單個文件的使用權(quán)限。其他新特性包括：
- 對 CD-ROM 上使用的 ISO 9660 文件系統(tǒng)的增強(qiáng)支持
- 可以存儲在文件系統(tǒng)中的默認(rèn)掛載選項(xiàng)
- 用于加速文件搜索的索引目錄
- 對 Windows 的邏輯磁盤管理器（動態(tài)磁盤）的支持
- 能夠?qū)?ntfs 掛載為讀/寫，但寫仍處于試驗(yàn)狀態(tài)
- 對 fat12（舊 DOS 文件系統(tǒng)）的增強(qiáng)支持
處理分區(qū)和文件系統(tǒng)的工具
要添加一個新磁盤或調(diào)整現(xiàn)有磁盤的大小，您需要使用 fdisk 或 cfdisk。盡管 cfdisk 表面上更易于使用，但 fdisk 已被證實(shí)最適用于磁盤分區(qū)。以下是有關(guān)使用 Linux 版本 fdisk 的幾個原則，幫助您了解其可能得到的結(jié)果。
首先，以超級用戶身份用設(shè)備名稱調(diào)用 fdisk：
# fdisk /dev/hda
The number of cylinders for this disk is set to 1940.
There is nothing wrong with that, but this is larger than 1024,
and could in certain setups cause problems with:
1) software that runs at boot time (e.g., old versions of LILO)
2) booting and partitioning software from other OSs
(e.g., DOS FDISK, OS/2 FDISK)
Command (m for help):m
可以通過使用 p（或 print）命令顯示分區(qū)表。使用 n 或 new 命令可創(chuàng)建新分區(qū)；使用 w 或 write 命令可把新分區(qū)表寫入磁盤。輸入新命令后，fdisk 需要知道您要創(chuàng)建邏輯分區(qū)還是主分區(qū)：
Command (m for help):n
Command action
l logical (5 or over)
p primary partition (1-4)
l
No free sectors available
Command (m for help):
您可以看到，如果沒有任何空閑空間（如上所示），則您將收到以上消息。但如果有空閑空間，則 fdisk 需要知道您想要的分區(qū)號。如果輸入“p”（代表主分區(qū)），則您將需要做出以下選擇。
Partition number (1-4):
對于邏輯分區(qū)，您將需要做出以下選擇
Partition number (5 or over):
然后，您可以輸入新分區(qū)的起始柱面號。fdisk 將推薦一個默認(rèn)編號，如下所示：
First cylinder (1-1940, default 1):1
您可以選擇接受此編號。接下來，您需要輸入最后一個柱面或分區(qū)大小：
Last cylinder or +sizeM or +sizeK(1-1940), default 5721:1G
此刻，fdisk 將假設(shè)這是一個常規(guī) Linux 分區(qū)（由分區(qū)表“ID”列中的十六進(jìn)制數(shù)字 83 標(biāo)識）。可以使用 fdisk 中的 t 或 type 命令更改分區(qū)類型。可以使用 l 或 list 命令取得 fdisk 的可用分區(qū)類型。以下是可用類型的部分列表：
| ID |
System |
| 82 |
Linux swap |
| 83 |
Linux |
| 85 |
Linux extended |
| 8e |
Linux LVM |
必須注意，在您運(yùn)行 write 命令之前，您在 fdisk 中執(zhí)行的任何操作都將是臨時的—如果您出于任何原因要離開 fdisk，則這確實(shí)很有好處。
重新組織分區(qū)和文件管理系統(tǒng)
由于每個分區(qū)都包含各自的文件管理系統(tǒng)，因此調(diào)整分區(qū)大小涉及調(diào)整文件管理系統(tǒng)和分區(qū)的大小。因此，可用的重新分區(qū)工具取決于所用文件管理系統(tǒng)的類型。對于 ext2/ext3 系統(tǒng)，有一些可以選擇將 resize2fs 與 fdisk、GNU Parted 或 Partition Magic 結(jié)合使用。對于 ReiserFS，只能將 cfdisk 與 resize_resiszerfs 搭配使用，這是因?yàn)?GNU Parted 對于 ReiserFS 來說仍需改進(jìn)。
resize2fs 和 resize_reiserfs 都可以調(diào)整文件管理系統(tǒng)的大小，并要求使用單獨(dú)的分區(qū)大小調(diào)整程序 — fdisk 或 cfdisk。我本人曾使用過 GNU Parted 對 ext2 分區(qū)進(jìn)行重新分區(qū)。這是一個相當(dāng)容易使用的程序。GNU Parted 對 ReiserFS 的支持將來會變得更穩(wěn)健。Partition Magic 是一個用于 DOS 和 Windows 的商業(yè)程序，但如果從它附帶的啟動軟盤或 CD-ROM 運(yùn)行，則可以用于 Linux ext2/ext3 分區(qū)。
盡管實(shí)際的命令取決于您所要更改到的系統(tǒng)，但更改文件管理系統(tǒng)的一般過程涉及
- 備份分區(qū)上的文件
- 刪除分區(qū)中的文件
- 如果使用的是 fdisk，則可能刪除一個分區(qū)以便為兩個更小的分區(qū)留出空間
- 使用相應(yīng)的命令生成新文件系統(tǒng)。例如，要創(chuàng)建 ext2 文件系統(tǒng)，您可以使用
$ mke2fs /dev/hda5 15088
_ ..I
可以隨意指定塊計(jì)數(shù)，如以上命令中的 15,088。以上事件序列的唯一例外是使用以下命令從 ext2 系統(tǒng)移植到 ext3 系統(tǒng)
$tune2fs -j /dev/hda3
但仍應(yīng)進(jìn)行備份。
掛載分區(qū)
僅當(dāng)具有超級用戶權(quán)限的用戶掛載了分區(qū)，分區(qū)才在 Linux 中可用。對于 /etc/fstab 文件中列出的 Linux 分區(qū)，系統(tǒng)啟動時會自動掛載。對于 CD-ROM 和軟盤驅(qū)動器，通常只需單擊相應(yīng)圖標(biāo)即可。
可與掛載選項(xiàng)結(jié)合使用的選項(xiàng)取決于文件管理系統(tǒng)。例如，您可以按如下方式指定 ext3 日志選項(xiàng)：
$ mount -t ext3 -o data=journaled /dev/hda9 /home
要拆下軟盤或 CD-ROM，您需要在拆下它之前使用以下命令將其卸載
$ umount /media/floppy
在 Linux 2.4 之前，一個文件系統(tǒng)只能掛載一次。而現(xiàn)在，不限制文件系統(tǒng)的掛載次數(shù)。
結(jié)論
Linux 文件系統(tǒng)是一個多方面的概念。本討論旨在作為根據(jù)您自己的需要對它的有用性和合意性進(jìn)行進(jìn)一步研究的基礎(chǔ)。
在本文的第 2 部分中，我們將介紹集群文件系統(tǒng)，其中包括 OCFS。