Linux详解 — 文件系统 (inode与软硬链接)
在了解文件系统之前，我们得先知道文件是由什么组成的！
文件 = 文件属性 (元信息) + 文件内容
//文件还分为：内存文件 和 磁盘文件。
//Linux中会将文件的属性和文件内容
分离存储，都存储在磁盘中。
#接下来我们只讨论磁盘文件
inode
inode是一个文件的属性集合。在linux中，几乎每一个文件都有inode，因此inode数量是很多的，而为了区分inode，我们可以使用inode编号。 //inode也是存储在磁盘上的
ls -i #查看文件的inode信息
ll -i
最前面的一串数字就是对应文件的inode编号了。
文件系统
磁盘
问题：什么是磁盘？
磁盘是在冯诺依曼体系结构中几乎唯一的机械设备。机械设备意味着什么？机械设备意味着它的效率低。那为什么还会使用磁盘？磁盘相比我们所熟知的内存有着一个极大的优势，那就是永久性，它能够永久性的存储数据。而内存是一种掉电易失性存储介质，也就是没电了存储的内容就没了。因此目前所有的普通文件都是存储在磁盘上的。
问题：那么既然所有的普通文件都是存储在磁盘上的，那么就必须要对这些文件进行管理，也就是如何对磁盘进行管理？
在了解磁盘怎么管理之前，我们得先知道磁盘的结构！以及它是如何进行读写的！
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介绍一下磁盘中的几个重要部分：
盘片(Platter)：磁盘一般是由多个盘片组成的，而每个盘片都有上下2个盘面。
磁头(Head) ：每个盘面都有一个对应的磁头，也就是一个盘片都有上下2个磁头。磁头的作用是对磁盘进行写入和读取。
磁道(Track) ：当磁盘旋转时，磁头若保持在一个位置上，则每个磁头都会在盘片的表面画出一个圆形轨迹，这个圆形轨迹就称为磁道。
扇区(Sector) ：每个磁道都被切分为很多扇形区域，这个扇形区域被称为扇区，每个扇区的大小为512字节。
柱面(Cylinder)：不同盘片的相同编号的磁道构成的圆柱面就被称之为柱面。
问题：怎么对磁盘进行管理？
我们可以将磁盘这个圆形存储介质 看作线性存储介质。（就像磁带一样，卷起来就是圆形的，但是它实际上是线性的结构）
看作线性存储介质后，就方便我们对磁盘进行管理了。因为磁盘的容量很大，我们可以对磁盘进行分区管理。在分区之后，对每个区域的管理都是相同的，这将很大程度的减少工作量。
在分区之后，我们可以每个区域进行格式化。
问题：格式化是什么？
格式化是对磁盘中的分区进行初始化的一种操作。(千万别在自己的电脑上搞哦！)。这种初始化就是以某种格式/标准对区域进行划分。
在格式化之后，更方便数据去存储和进行管理。而格式化的标准一般由文件系统决定，Linux中采用Ext2/3/4文件系统。
Ext2文件系统分区结构
下面是Ext2的文件系统的一个分区的结构：
每个分区里面还可以被分成很多组，我们这里主要细谈每个组里面的结构。
Super Block：用来存放文件系统本身的结构信息的。它里面记录的信息主要有：block/inode的总量、未使用量、剩余量 （也就是它知道当前使用了多少inode和block）；一个block和inode的大小；最近一次的挂载时间；最近一次的写入数据的时间；最近一次检验磁盘的时间等等。。。当Super Block的信息被破坏，那么整个文件系统的结构就被破坏了。
//由于super block很重要，因此每个block group都会存一分进行备份。（这也算是冗余的信息）
GDT：Group Descriptor Table，块组描述符。每个块组描述符中都存储着一个块组的描述信息，例如：在这个块组中"从哪里开始是inode table"、“从哪里开始是Data Blocks”、"空闲的inode和数据块还有多少个"等等… 它和Super Block很像，块组描述符在块组的开头也有一份拷贝。
Block Bitmap：块位图，用来描述整个块组中，哪些块是被被使用的，哪些块是空闲的。块位图中的每个bit位，都代表块组中的一个块，bit位的位置决定了块的位置，bit位的值决定了该块是否被使用。1表示被使用，0表示块空闲可用。
Inode Bitmap：和块位图类似，其中的每个bit表示一个inode是否空闲可用。
注意：在分区之后，inode的个数就是确定的！
Inode Table：用来存放文件的属性信息的，如文件的大小、权限、类型、创建时间、所属组、所属用户等。我们使用ls -l看到的信息，都是从这里获取的。每个文件对应一个inode，因此每个inode中都存储一个inode编号用来区分。
除此之外，inode中还存储着blocks数组，blocks数组中可以存储data blocks中的块的编号。我们可以通过blocks数组去建立与数据块的映射，也就是我们可以通过inode去找到数据块。
Data Blocks：
对于普通文件：文件的数据都存储在其中。
对于目录文件：会存放目录下的所有文件名到其中。//文件名保存在它所在目录的数据块中！
文件操作的本质
Ⅰ、文件的创建
① 创建一个新文件就要先给这个文件分配inode和数据块(没写入数据就不需要数据块)。首先扫描Inode Bitmap去查找空闲的Inode，然后将某个空闲位置的inode值修改为1。
② 随后，在inode table中找到对应位置的inode，然后填充inode的信息（文件大小、权限、所属组…）。
③ 最后将该文件的inode编号与文件名这对映射关系填入到所在目录文件的数据块中。
//添加文件名到目录 (我下面会讲目录的概念)
Ⅱ、文件的写入
① 首先扫描Block Bitmap，找到空闲的块。然后将其值改为1。
② 随后将该块对应的编号填入对应的inode结构体中的blocks数组中。最后向块中写入内容。
Ⅲ、文件的删除
直接将该文件对应的Inode Bitmap和Block Bitmap中的值改为0。
Ⅳ、文件的拷贝
拷贝文件的本质就是新建一个新的文件，然后再填充源文件的数据。
Ⅴ、文件的剪切
在同一分区下，剪切速度很快！因为本质就是将文件名和inode号换了个目录中存储而已。
在不同分区下，剪切速度较慢，因为本质就是拷贝新文件，再删除源文件。
目录与文件
目录也是文件，因此它也是有自己的inode与data blocks的。
目录的inode与普通文件相同（存储的是目录的属性信息），但是它的数据块中所存储的东西就不太一样了。
目录的数据块存储的是当前目录下的文件名与inode编号的映射关系。
实际上，我们使用ls -i 命令的时候，就是查看目录的数据块中的内容！
软硬链接
软链接
软链接类似Windows中的快捷方式。 //软链接创建后，如果移动到了其他路径下，链接会失效
ln -s [目标文件] [软链接产生的文件名称] #创建软链接
①：在当前目录下创建软链接
②：在其它目录下创建软链接
//我们还可以给软链接创建软链接，无限套娃hhh
硬链接
ln [目标文件] [硬链接所产生的名字] #创建硬链接
我们在使用 ls -l 后，在文件的权限属性后面的数字，就代表了某个文件的硬链接数。
硬链接的本质是新建了一个文件名与已有的inode的映射关系，并写入当前目录。所以当你删除原本的文件后，还可以通过硬链接产生的新文件名去进行访问源文件。 //硬链接类似取别名
硬链接与 . 和 . .
. 实际上就是对当前目录所起的别名（也就是硬链接），因此每个目录创建时都至少有2个硬链接数。
. . 实际上就是对上级路径的目录所起的别名（也就是硬链接）。所以当前目录下有几个目录，那么就会多几个硬链接 ". ."
目录与硬链接
ls -d #只显示当前目录本身
我们可以发现对于一个刚创建的目录，它的初始状态就是有2个硬链接数。
那么这两个硬链接都是什么呢？
一个是目录本身，另一个是 “.” 。 "."就是表示当前目录。
当我们在目录下又创建很多目录时，当前目录的硬链接数还会继续增加。因此当前目录下有几个目录，那么就会多几个硬链接 “. .”
目录的硬链接数 = 2 + 该目录中的目录数量（只考虑邻层的目录，相隔层的目录无法影响）
//相隔层的目录无法影响的原因在于：". ."是上层目录的硬链接，因此它无法表示上上层。
inode与硬链接
inode结构体中存在着一个成员变量i_nlink， 它可以记录对应文件的硬链接数。
struct inode{
const usigned int i_nlink; //磁盘引用计数器，当每产生一个硬链接时，该成员就会++ count
atomic_t i_count; //内存引用计数器
}
这里补充一个细节，很关键的细节！帮助理解硬链接与文件的删除
对于一个文件而言，当你给它创建硬链接后，再删除源文件，此时你仍然可以去通过硬链接访问文件的内容。这是因为在inode中，有一个变量叫i_nlink，每次删除文件时，系统会去检测i_nlink的值，如果值减为0的话，才会去删除这个文件，否则不会删除。
软链接与硬链接的区别
- 软链接创建的是一个独立的文件，它有自己的inode；
硬链接没有独立的inode，它与源文件共享inode。 - 软链接移动到其他路径下后，链接会失效；
硬链接移动到其他路径下后，仍可以正常工作。 - 软链接可以跨文件系统进行连接
硬链接不可以跨文件系统 - 软链接可以对一个不存在的文件名(filename)进行链接
硬链接不可以 - 软链接可以对目录进行链接
硬链接不可以直接对目录进行链接，目录的硬链接数是取决于目录下的目录个数的
问题3：为什么硬链接不可以跨文件系统？
因为硬链接的本质是在某个目录下新建一条文件名与inode号的映射关系。不同的分区可能采用不同的文件系统，跨文件系统时的inode号并不通用！所以无法建立正确的映射关系，因此不能跨文件系统。
问题5：为什么硬链接不可以直接链接目录？
因为目录的硬链接数是通过 . 和 . . 计算出来的。使用硬链接链接目录会导致 . 和 … 的意义混乱。