Linux读书笔记（四）—— 磁盘管理

尽管在过去的几十年里，计算机硬件技术得到了飞速的发展，但磁盘这一古老的存储介质仍然是几乎所有电脑的必备。本章介绍 Linux 下的磁盘管理，包括 Linux 文件系统的概念及使用、硬盘分区及格式化、使用外部设备、文件归档及备份等。

References:

• 《Linux典藏大系：Linux从入门到精通（第二版）》
• 《CentOS Linux系统运维》
• https://www.serverfocus.org/reiserfs-vs-ext4-vs-xfs-vs-zfs-vs-btrfs

从存储原理上讲，硬盘和磁带是一样的。硬盘内部是几个叠在一起的磁性盘片，读取数据的时候，盘片以恒定的速度旋转，边上有一个小磁头进行读取和写入。磁头通过改变盘片上磁性物质的排列来写入数据。值得注意的是，磁头在读写数据的时候并不接触盘面，而是悬浮在距离盘片表面非常近的地方。如果因为某些原因，磁头接触到了盘片，那么就会产生破坏性的后果，这也是为什么不能在运行时搬动主机的一个原因。
现如今有多种不同的硬盘接口。从市场占有率和获支持程度来说，SCSI和IDE曾经占据了统治地位。然而这些年，随着SATA接口硬盘价格的不断下降，越来越多的人选择了SATA硬盘。现在新配的电脑全部是 SATA 硬盘，也就是所说的串口硬盘。

• Linux文件系统
  操作系统必须用一种特定的方式对磁盘进行操作。例如，存储一个文件,表示一个目录,知道某个特定的文件存储在硬盘的哪个位置,这些问题都可以通过文件系统来解决。简单来说，文件系统是一种对物理空间的组织方式，通常在格式化硬盘时创建。在Windows下，有NTFS和FAT两种文件系统。同样地，Linux也有自己的文件系统并一直在快速演变，下面将会介绍在CentOS中最常用的几种。

在CentOS系列系统下，常见的文件系统主要是EXT。目前，CentOS 6系列版本中的文件系统已经发展到第4版，不过在最新的7版本中默认不再使用EXT，而是XFS（这种文件系统被认为适合用于大数据环境）。

• Ext2

第二扩展文件系统（EXT2）是为弥补EXT的缺陷而设计的一个高性能文件系统。该文件系统在弥补EXT缺陷的同时也增加了系统的可扩展性。当然，EXT2也存在缺点，比如在写入文件内容的同时并没有同步到meta-data，而是在空闲时才写入文件。如果在未写入时操作系统发生意外，就会导致文件系统处于不一致状态。

• Ext3

第三扩展文件系统（EXT3）是从EXT2升级而来，它在EXT2的基础上加入了记录元数据的日志功能从兼容性，因此用户很容易将数据从EXT2迁移到EXT3。另外，在该版本的文件系统中增加了一个非常重要的功能——系统日志功能，因此EXT3也称日志式的文件系统，它的最大特点就是可以在短时间内恢复数据。

由于在文件系统中有快取层参与运作，因此在正常关机时就需要将快取层的数据写回磁盘中（前提是必须将所有的文件系统全部卸下）。如果出现断电、宕机等，导致文件系统未卸下就关机，就会造成数据不一致，因此需要对系统数据进行同步。这时日志文件系统就体现出了它的优越，只要通过日志的记录就可以对数据进行恢复，从而在很大程度上保证了系统整体数据的完整性。

• Ext4

第四扩展文件系统（EXT4）是一种针对EXT3修改部分重要数据结构的扩展日志式文件系统。在EXT4上，允许创建无限数量的子目录且这些子目录具有可伸缩性，并引入了extents概念和多块分配器，使得一次调用就可以分配很多块。这样不仅减少系统的开销，还为数据保存提供了多个连续的数据块。

EXT4具有更高的兼容性，并消除了储存限制，使得从EXT3升级至EXT4时不需要格式化分区。在inode节点的大小上，EXT4支持扩大到 256B，并实现在文件系统层面持久预分配磁盘空间。在提供相应API的同时也启用了barrier，使数据的读写顺序得到调整，并优化了数据写入性能。

• XFS

XFS包含了许多优秀的功能，例如确定速率I/O，在线调整大小，内置配额执行，并且理论上它可以支持最大支持8exbibytes减1字节的单个文件系统字节的文件系统。自从2001年左右以来，它一直在Linux上使用，并且在许多流行的Linux发行版中作为安装选项提供。通过可变块大小，可以像滑动缩放比例一样调整系统来调整磁盘利用率或读取性能。

• 最适合非常大的文件系统，大文件和大量文件
• 日志式（一个非对称并行集群文件系统也可用）
• POSIX扩展访问控制

XFS文件系统是开源的，并且包含在主要的Linux发行版中。它起源于SGI（Irix），专为大文件和大容量可扩展性而设计。视频和多媒体文件最好由该文件系统处理。它是支持数据迁移的Linux上少数几个文件系统之一（SGI早在几年前就将分层存储管理接口贡献给Linux内核）。

其他的文件系统如ReiserFS，BtrFS等等请自行查阅

• 文件系统的目录层次结构
  操作系统下的一切文件都是数据的集合，在文件中不仅包含有数据，也包含有各类文件间的层次关系，而这种层次间关系的权限是被严格分开的。在这种严格的等级关系中，位于最高层次的称为根（/）目录，其他的则是它的子目录。

各个常用目录的简单介绍如下：

* 根（/）目录：是整个 Linux文件系统的最顶层目录，也是文件系统的入口。
* /bin目录：主要存放一些可执行文件，这些文件就是一个命令。
* /dev目录：用于存放一些设备文件。
* /home 目录：是普通用户主目录所在的目录。
* /lib目录：用于存放各种函数和库文件。
* /media目录：用于挂载如 USB、CD等设备。
* /var目录：用于保存系统运行时所需要改变的数据，数据的大小不定。
* /etc目录：含有系统各种配置文件，如网络、安全、进程等。
* /lost+found 目录：存放系统在不正常关机时产生的数据碎片，这些数据的碎片可用于系统的恢复。
* /usr目录：用于存放一些本地帮助文档及其他相关的信息。
* /etc/rc.d/init.d目录：存放系统启动时自动执行的一些可执行脚本。

• 文件系统的基本组成
  Linux系统提供一种通用的文件处理方式，将所有的软件、硬件都视为文件来管理，并将映射成文件的不同物理设备放在层次相同或不同的目录下，然后通过文件的方式来管理所有的设备，从而简化对物理设备的管理和访问，所以在Linux下，一切皆文件。

  • 普通文件

  普通文件（ordinary file）是一种出现在路径末端且不能再继续往下延伸的文件。这种文件主要由文本文件和二进制文件组成，是 Linux 系统下最为常见、数量最多的文件。系统大多数的配置文件、代码文件都是以普通文件的形式存在的。

普通文件以“-”作为标识，标识符后是相关用户对该文件所具有的权限，而后是其他相关的信息，最后是该文件的名称，其组成如下所示。

对于多数的普通文件而言，它们的内容都是可读的，即使文件的扩展名不同。因此，单从文件名本身区别普通文件所属的类型并不容易（如以“.sh”为扩展名的通常是 shell 脚本文件，但去掉扩展名后也不会造成影响），不过可以借助系统提供的相关命令(file)来识别。

* 目录文件
* 链接文件
* 特殊文件

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