Linux文件系统是什么?

Linux文件系统中的文件是数据的集合，文件系统不仅包含着文件中的数据而且还有文件系统的结构，所有 Linux 用户和程序看到的文件、目录、软连接及文件保护信息等都存储在其中。

创始人

Linus Torvalds

林纳斯·本纳第克特·托瓦兹（Linus Benedict Torvalds）出生于芬兰赫尔辛基市。父亲尼尔斯·托瓦兹（Nils Torvalds）是一名活跃的共产主义者及电台记者。托瓦兹家族属于在芬兰占 6%的少数民族芬兰瑞典人。他毕业于赫尔辛基大学计算机科学系，1997 年至 2003 年在美国加州硅谷任职于全美达公司（Transmeta Corporation）参与该公司芯片的 code morph 技术研发。后受聘于开源码发展实验室（OSDL : Open Source Development Labs,Inc），全力开发 Linux 内核。现任职于 Linux 基金会。

基本介绍

很详细地了解某个操作系统的实际工作方式是非常困难的，因为大多数操作系统的源代码都是严格保密的。在以实际使用为目标的操作系统中，让任何人都可以自由获取系统源代码，无论目的是要了解、学习还是修改，这样的系统并不多。本论文的主题就是这些少数操作系统中的一个：Linux。

Linux 是一个性能稳定、功能强大、效率高的操作系统。它在功能特性方面与 Unix 系统相似，同时又具有多任务、多用户、多平台等若干特性。Linux 的源代码是开放的，阅读 Linux 源代码,无疑是深入学习 Linux 的最好方法。

系统原理

Linux 最早的文件系统是 Minix，但是专门为 Linux 设计的文件系统——扩展文件系统第二版或 EXT2 被设计出来并添加到 Linux 中，这对 Linux 产生了重大影响。EXT2 文件系统功能强大、易扩充、性能上进行了全面优化，也是所有 Linux 发布和安装的标准文件系统类型。

每个实际文件系统从操作系统和系统服务中分离出来，它们之间通过一个接口层：虚拟文件系统或 VFS 来通讯。VFS 使得 Linux 可以支持多个不同的文件系统，每个表示一个 VFS 的通用接口。由于软件将 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。

在 Linux 文件系统中，作为一种特殊类型/proc 文件系统只存在内存当中，而不占用外存空间。它以文件系统的方式为访问系统内核数据的操作提供接口。/proc 文件系统是一个伪文件系统，用户和应用程序可以通过/proc 得到系统的信息，并可以改变内核的某些参数。

在 Linux 文件系统中，EXT2 文件系统、虚拟文件系统、/proc 文件系统是三个具有代表性的文件系统，本论文试图通过对他们的分析来研究 Linux 文件系统机制。并且在分析这三种文件系统的基础上对 Linux 文件系统操作进行了解、研究（本论文选取了 open 和 close 两种操作进行研究）。在第二部分中将介绍 EXT2 文件系统；第三部分论述虚拟文件系统的特点；第四部分简要介绍/proc 文件系统；最后，介绍两种具体文件系统操作的实现。

文件系统

在 Linux 中普通文件和目录文件保存在称为块物理设备的磁盘或者磁带上。一套 Linux 系统支持若干物理盘，每个物理盘可定义一个或者多个文件系统。（类比于微机磁盘分区）。每个文件系统由逻辑块的序列组成，一个逻辑盘空间一般划分为几个用途各不相同的部分，即引导块、超级块、inode 区以及数据区等。

引导块：在文件系统的开头，通常为一个扇区，其中存放引导程序，用于读入并启动操作系统；超级块：用于记录文件系统的管理信息。特定的文件系统定义了特定的超级块；inode 区（索引节点）：一个文件或目录占据一个索引节点。第一个索引节点是该文件系统的根节点。利用根节点，可以把一个文件系统挂在另一个文件系统的非叶节点上；数据区：用于存放文件数据或者管理数据。

Linux 最早引入的文件系统类型是 MINIX。MINIX 文件系统由 MINIX 操作系统定义，有一定的局限性，如文件名最长 14 个字符，文件最长 64M 字节。第一个专门为 Linux 设计的文件系统是 EXT（Extended File System），但目前流行最广的是 EXT4。

第二代扩展文件系统由 Rey Card 设计，其目标是为 Linux 提供一个强大的可扩展文件系统。它同时也是 Linux 界中设计最成功的文件系统。通过 VFS 的超级块（struct ext2_*@#_info ext2_*@#）可以访问 EXT2 的超级块，通过 VFS 的 inode（struct ext2_inode_info ext2_i）可以访问 EXT2 的 inode。

文件系统 EXT2 的源代码在/usr/src/linux/fs/ext2 目录下，它的数据结构在文件/usr/src/linux/include/linux/ext2_fs.h 以及同一目录下的文件 ext2_fs_i.h 和 ext2_fs_*@#.h 中定义。

EXT2 文件系统将它所占用的逻辑分区划分成块组（block group）。

逻辑分区

和很多文件系统一样, EXT2 建立在数据被保存在数据块中的文件内这个前提下。这些数据块长度相等且这个长度可以变化，某个 EXT2 文件系统的块大小在创建（使用 mke2fs）时设置。每个文件的大小和刚好大于它的块大小正数倍相等。如果块大小为 1024 字节而一个 1025 字节长的文件将占据两个 1024 字节大小的块。这样你不得不浪费差不多一半的空间。我们通常需要在 CPU 的内存利用率和磁盘空间使用上进行折中。而大多数操作系统，包括 Linux 在内，为了减少 CPU 的工作负载而被迫选择相对较低的磁盘空间利用率。并不是文件中每个块都包含数据，其中有些块被用来包含描叙此文件系统结构的信息。EXT2 通过一个 inode 结构来描叙文件系统中文件并确定此文件系统的拓扑结构。inode 结构描叙文件中数据占据哪个块以及文件的存取权限、文件修改时间及文件类型。EXT2 文件系统中的每个文件用一个 inode 来表示且每个 inode 有唯一的编号。文件系统中所有的 inode 都被保存在 inode 表中。 EXT2 目录仅是一个包含指向其目录入口指针的特殊文件（也用 inode 表示）。

对文件系统而言文件仅是一系列可读写的数据块。文件系统并不需要了解数据块应该放置到物理介质上什么位置，这些都是设备驱动的任务。无论何时只要文件系统需要从包含它的块设备中读取信息或数据，它将请求底层的设备驱动读取一个基本块大小整数倍的数据块。EXT2 文件系统将它所使用的逻辑分区划分成数据块组。每个数据块组将那些对文件系统完整性最重要的信息复制出来, 同时将实际文件和目录看作信息与数据块。为了发生灾难性事件时文件系统的修复，这些复制非常有必要。

与微软比较

相同点

用户和组

Linux 是多用户多任务操作系统而 Windows 是单用户多任务操作系统。都可以由许多不同的用户来使用，为每个用户提供单独的环境和资源。基于用户身份来控制安全性。都可以以组成员的方式来控制资源的访问权限，这样在用户数目较大时可以不必为每一个帐号设置权限。

用户和组可以集中管理，让多个服务器共享相同的用户和身份验证数据。

文件系统

Linux 和 Windows 都支持多种文件系统。文件资源可以通过 NetBIOS、FTP 或者其他协议与其他客户机共享。可以很灵活地对各个独立的文件系统进行组织，由管理员来决定它们在何处可以以何种方式被访问。

端口和设备

两种操作系统都支持各种物理设备端口，比如并口、串口和 USB 接口。支持各种控制器，比如 IDE 和 SCSI 控制器。Linux 还支持很多“刚刚上市”的标准硬件。

网络

Linux 和 Windows 都支持多种网络协议，比如 TCP/IP、NetBIOS 和 IPX。都支持多种类型的网络适配器。都具备通过网络共享资源的能力，比如共享文件和打印。都可以提供网络服务能力，比如 DHCP 和 DNS。

服务

Linux 和 Windows 都提供服务。所谓服务，指的是那些在后台运行的应用程序，可以为系统和远程调用该服务的计算机提供一些功能。在系统引导的时候可以单独控制并自动启动这些程序。(注意：Linux 中沿用了 Unix 的习惯，称这种应用程序为 daemon)