Linux磁碟系統——磁碟系統簡介

摘要：本文主要學習了Linux系統中有關磁碟的一些知識。

文件系統

說明

硬碟是用來存儲數據的，可以將其想象成柜子，只不過柜子是用來存儲衣物的。新買來的硬碟，通常要對其進行分區並格式化。分區就如同把一個大櫃按照要求分割成幾個小柜子。格式化就好比在每個小柜子中打入隔斷，決定每個隔斷的大小和位置，然後在櫃門上貼上標簽，標簽中寫清楚每件衣服保存的隔斷的位置和這件衣服的一些特性。

在格式化的過程中會向硬碟中寫入文件系統。因為不同的操作系統，管理文件的方式也不盡相同（給文件設定的屬性和許可權也不完全一樣），因此，為了使硬碟有效存放當前系統中的文件數據，就需要將硬碟進行格式化，令其使用和操作系統一樣（或接近）的文件系統格式。

不同的文件系統，其運作模式和操作系統的文件數據有關。

虛擬文件系統

文件系統指文件存在的物理空間。在Linux系統中，每個分區都是一個文件系統，都有自己的目錄層次結構。

Linux的最重要特征之一就是支持多種文件系統，這樣它更加靈活，並可以和許多其它種操作系統共存。

Virtual File System（虛擬文件系統）使得Linux可以支持多個不同的文件系統，由於系統已將Linux文件系統的所有細節進行了轉換，所以Linux核心的其它部分及系統中運行的程式將看到統一的文件系統。

Linux的虛擬文件系統允許用戶同時能透明地安裝許多不同的文件系統，虛擬文件系統是為Linux用戶提供快速且高效的文件訪問服務而設計的。

文件系統類型

minix：在Minix操作系統上使用的文件系統，Linux上運行的第一種文件系統。它有很多限制：64M分區大小限制，短文件名，唯一時間戳等等。只有軟盤或者RAM中可能用的到。

ext：minix文件系統的複雜擴展，Linux中最早的文件系統，由於在性能和相容性上具有很多缺陷，已經被ext2文件系統完全取代。

ext2：是ext文件系統的擴展，可以給Linux的文件系統提供最佳支持（主要是速度和CPU使用上），支持最大16TB的分區和最大2TB的文件。

ext3：是ext2文件系統的擴展，最大的區別就是帶日誌功能，以便在系統突然停止時提高文件系統的可靠性，支持最大16TB的分區和最大2TB的文件。

ext4：是ext3文件系統的擴展。ext4在性能、伸縮性和可靠性方面進行了大量改進，支持最大1EB文件系統和16TB文件、無限數量子目錄、Extents連續數據塊的概念、快速FSCK、日誌校驗、無日誌模式、等。它是CentOS 6的預設文件系統。

xfs：xfs是一個64位文件系統，最大支持8EB減1位元組的單個文件系統，實際部署時取決於宿主操作系統的最大塊限制。對於一個32位Linux系統，文件和文件系統的大小會被限制在16TB。它是CentOS 6的預設文件系統。

swap：swap是Linux中用於交換分區的文件系統（類似於Windows中的虛擬記憶體），當記憶體不夠用時，使用交換分區暫時替代記憶體。一般大小為記憶體的2倍，但是不要超過2GB。它是Linux的必需分區。

nfs：nfs是網路文件系統（Network File System）的縮寫，是用來實現不同主機之間文件共用的一種網路服務，本地主機可以通過掛載的方式使用遠程共用的資源。

iso9660：光碟的標準文件系統。Linux要想使用光碟，必須支持iso9660文件系統。

fat：就是Windows下的fatl6文件系統，在Linux中識別為fat。

vfat：就是Windows下的fat32文件系統，在Linux中識別為vfat。支持最大32GB的分區和最大4GB的文件。

ntfs：就是Windows下的ntfs文件系統，不過Linux預設是不能識別ntfs文件系統的，如果需要識別，則需要重新編譯內核才能支持。它比fat32文件系統更加安全，速度更快，支持最大2TB的分區和最大64GB的文件。

ufs：Sun公司的操作系統Solaris和SunOS所採用的文件系統。

proc：Linux中基於記憶體的虛擬文件系統，用來管理記憶體存儲目錄/proc。

sysfs：和proc一樣，也是基於記憶體的虛擬文件系統，用來管理記憶體存儲目錄/sysfs。

tmpfs：也是一種基於記憶體的虛擬文件系統，不過也可以使用swap交換分區。

硬碟分區

含義

磁碟的組成主要有磁碟盤、機械手臂、磁碟讀取頭與主軸馬達所組成，而資料的寫入其實是在磁碟盤上面。磁碟盤上面又可細分出磁區（Sector）與磁軌（Track）兩種單位，其中磁區的物理量設計有兩種大小，分別是512B與4KB。

整個磁碟的第一個磁區特別的重要，因為他記錄了整顆磁碟的重要數據。早期磁碟使用的分割格式稱為MBR（Master Boot Record）格式，但是由於近年來磁碟的容量不斷擴大，造成讀寫上的一些困擾，甚至有些大於2TB以上的磁碟分割已經讓某些作業系統無法存取，因此後來又多了一個新的磁碟分割格式，稱為GPT（GUID Partition Table）。

分區格式

1）MBR

早期的Linux系統為了相容於Windows的磁碟，因此使用的是支持Windows的MBR（Master Boot Record）的方式來處理開機管理程式和分割表。而開機管理程式紀錄區與分割表則通通放在磁碟的第一個磁區，這個磁區通常是512B的大小（舊的磁碟磁區都是512B），所以說，第一個磁區512B會有這兩個數據：

主要開機記錄（Master Boot Record，MBR）：可以安裝開機管理程式的地方，有446B。
分割表（Partition Table）：記錄整顆硬碟分割的狀態，有64B。

由於分割表所在區塊僅有64B容量，因此最多僅能有四組分區，每組分區記錄了該區段的啟始與結束的磁柱號碼，可以通過擴展分區的方式增加分區的個數。

一個磁碟最多只能有一個擴展分區，擴展分區不能夠格式化，裡面可以分出邏輯分區。邏輯分區的區號從sda4開始，前面3個分區是保留給主分區使用的，第4個分區sda4代表擴展分區。

2）GPT

因為最新的磁碟的扇區有可能為4K，因此GPT為了和MBR相相容，使用了邏輯區塊位址（Logical Block Address，LBA）來代替扇區，GPT將磁碟所有區塊以此LBA（預設為512B）來規劃，第一個LBA稱為LBA0（從0開始編號）。

LBA0中446位元組存儲開機管理程式，而在原本的分割表的紀錄區內，僅放入一個特殊標誌的分割，用來表示此磁碟為GPT格式。

LBA1紀錄了分割表本身的位置與大小，同時紀錄了備份用的LBA區塊放置的位置。

在LBA2區塊到LBA33區塊，每個LBA可以記錄四個分區信息，因此可以記錄32*4=128個分區信息。每個LBA為512B，因此每個分區使用128B來記錄，用64B來記錄分區的起始或結束LBA，因此一個分區理論最大為2^64*512B=2^33TB。

開機流程中的開機檢測程式

基本上，目前的主機系統在載入硬體驅動方面的程式，主要有早期的BIOS與新的UEFI兩種機制。

1）BIOS

BIOS是一個寫入到主機板上的一個程式，是開機時電腦系統會主動執行的第一個程式。

接下來BIOS會去分析電腦裡面有哪些儲存設備，我們以硬碟為例，BIOS會依據使用者的設定去取得能夠開機的硬碟，並且到該硬碟裡面去讀取第一個磁區的MBR位置。MBR這個僅有446B的硬碟容量裡面會放置最基本的開機管理程式，此時BIOS就功成圓滿，而接下來就是MBR內的開機管理程式的工作了。

2）UEFI

如果你的分割表為GPT格式的話，那麼BIOS也能夠從LBA0的區塊讀取第一階段的開機管理程式碼。如果你的開機管理程式能夠認識GPT的話，那麼使用BIOS同樣可以讀取到正確的作業系統核心。

換句話說，如果開機管理程式不懂GPT，那自然就無法讀取核心檔案，開機就失敗了。

由於LBA0僅提供第一階段的開機管理程式，因此如果你使用類似GRUB的開機管理程式的話，那麼就得要額外分出一個BIOS Boot的分割槽，這個分割槽能夠放置其他開機過程所需的程式。在CentOS當中，這個分割槽通常占用2MB左右而已。

為瞭解決這個問題，因此就有了UEFI（Unified Extensible Firmware Interface）這個統一可延伸程式界面的產生。UEFI直接從預啟動的操作環境載入操作系統，簡化開機過程有效提高啟動速度。

另外，與BIOS模式相比，雖然UEFI可以直接取得GPT的分割表，不過最好依舊擁有BIOS Boot的分割槽支援。同時，為了與Windows相容，並且提供其他第三方廠商所使用的UEFI應用程式儲存的空間，你必須要格式化一個vfat的檔案系統，大約提供512MB到1G左右的容量，以讓其他UEFI執行較為方便。

硬碟分區的好處

1）方便管理和控制

首先，可以將系統中的數據（也包括程式）按不同的應用分成幾類，之後將這些不同類型的數據分別存放在不同的磁碟分區中。由於在每個分區上存放的都是類似的數據或程式，這樣管理和維護就簡單多了。

2）提高系統的效率

給硬碟分區，可以直接縮短系統讀寫磁碟時磁頭移動的距離，也就是說，縮小了磁頭搜尋的範圍；反之，如果不使用分區，每次在硬碟上搜尋信息時可能要搜尋整個硬碟，所以速度會很慢。另外，硬碟分區也可以減輕碎片（文件不連續存放）所造成的系統效率下降的問題。

3）使用磁碟配額的功能限制用戶使用的磁碟量

由於限制用戶使用磁碟配額的功能，只能在分區一級上使用，所以，為了限制用戶使用磁碟的總量，防止用戶浪費磁碟空間（甚至將磁碟空間耗光），最好將磁碟先分區，然後在分配給一般用戶。

4）便於備份和恢復

硬碟分區後，就可以只對所需的分區進行備份和恢復操作，這樣的話，備份和恢復的數據量會大大地下降，而且也更簡單和方便。

掛載硬體設備

為什麼要掛載

Linux系統中“一切皆文件”，所有文件都放置在以根目錄為樹根的樹形目錄結構中。在Linux看來，任何硬體設備也都是文件，它們各有自己的一套文件系統（文件目錄結構）。

因此產生的問題是，當在Linux系統中使用這些硬體設備時，只有將Linux本身的文件目錄與硬體設備的文件目錄合二為一，硬體設備才能為我們所用。合二為一的過程稱為“掛載”。如果不掛載，通過Linux系統中的圖形界面系統可以查看找到硬體設備，但命令行方式無法找到。

什麼是掛載

掛載，指的就是將設備文件中的頂級目錄連接到Linux根目錄下的某一目錄（最好是空目錄），訪問此目錄就等同於訪問設備文件。由於掛載操作會使得原有目錄中文件被隱藏，因此根目錄以及系統原有目錄都不要作為掛載點，會造成系統異常甚至崩潰，掛載點最好是新建的空目錄。Linux系統使用任何硬體設備，都必須將設備文件與已有目錄文件進行掛載。

根目錄下的/dev/目錄文件負責所有的硬體設備文件，事實上，當U盤插入Linux後，系統也確實會給U盤分配一個目錄文件，就位於/dev/目錄下，但無法通過目錄文件直接訪問U盤數據，訪問此目錄只會提供給你此設備的一些基本信息（比如容量）。