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来源:三亚新闻网 发布时间:2021-03-02 浏览次数:

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原题目:文件系统:隐匿在Linux背后的机制

在 Linux 中,最直观、最可见的部门就是 文件系统(file system) 。下面我们就来一起探讨一下关于 Linux 中国的文件系统,系统挪用以及文件系统实现背后的原理和头脑。这些头脑中有一些来源于 MULTICS,现在已经被 Windows 等其他操作系统使用。Linux 的设计理念就是 小的就是好的(Small is Beautiful) 。虽然 Linux 只是使用了最简朴的机制和少量的系统挪用,然则 Linux 却提供了壮大而优雅的文件系统。

Linux 在最初的设计是 MINIX1 文件系统,它只支持 14 字节的文件名,它的最大文件只支持到 64 MB。在 MINIX 1 之后的文件系统是 ext 文件系统。ext 系统相较于 MINIX 1 来说,在支持字节巨细和文件巨细上均有很大提升,然则 ext 的速率仍没有 MINIX 1 快,于是,ext 2 被开发出来,它能够支持长文件名和大文件,而且具有比 MINIX 1 更好的性能。这使他成为 Linux 的主要文件系统。只不过 Linux 会使用 VFS 曾支持多种文件系统。在 Linux 链接时,用户可以动态的将差别的文件系统挂载倒 VFS 上。

Linux 中的文件是一个随便长度的字节序列,Linux 中的文件可以包罗随便信息,好比 ASCII 码、二进制文件和其他类型的文件是不加区分的。

为了利便起见,文件可以被组织在一个目录中,目录存储成文件的形式在很大程度上可以作为文件处置。目录可以有子目录,这样形成有条理的文件系统,Linux 系统下面的根目录是 / ,它通常包罗了多个子目录。字符 / 还用于对目录名举行区分,例如 示意的就是根目录下面的 usr 目录,其中有一个叫做 cxuan 的子目录。

下面我们先容一下 Linux 系统根目录下面的目录名

在 Linux 中,有两种路径,一种是 绝对路径(absolute path) ,绝对路径告诉你从根目录下查找文件,绝对路径的瑕玷是太长而且不太利便。另有一种是 相对路径(relative path) ,相对路径所在的目录也叫做 事情目录(working directory) 。

若是 /usr/local/books 是事情目录,那么 shell 下令

cp /usr/ /books/books /usr/ /books/books-replica

则示意的是绝对路径。

在 Linux 中经常泛起一个用户使用另一个用户的文件或者使用文件树结构中的文件。两个用户共享同一个文件,这个文件位于某个用户的目录结构中,另一个用户需要使用这个文件时,必须通过绝对路径才气引用到他。若是绝对路径很长,那么每次输入起来会变的异常贫苦,以是 Linux 提供了一种 链接(link) 机制。

举个例子,下面是一个使用链接之前的图

以上所示,好比有两个事情账户 jianshe 和 cxuan,jianshe 想要使用 cxuan 账户下的 A 目录,那么它可能会输入 /usr/cxuan/A ,这是一种未使用链接之后的图。

使用链接后的示意如下

现在,jianshe 可以建立一个链接来使用 cxuan 下面的目录了。‘

当一个目录被建立出来后,有两个目录项也同时被建立出来,它们就是 . 和 .. ,前者代表事情目录自身,后者代表该目录的父目录,也就是该目录所在的目录。这样一来,在 /usr/jianshe 中接见 cxuan 中的目录就是 ../cxuan/xxx

Linux 文件系统不区分磁盘的,这是什么意思呢?一般来说,一个磁盘中的文件系统相互之间保持自力,若是一个文件系统目录想要接见另一个磁盘中的文件系统,在 Windows 中你可以像下面这样。

两个文件系统分别在差别的磁盘中,相互保持自力。

而在 Linux 中,是支持 挂载 的,它允许一个磁盘挂在到另外一个磁盘上,那么上面的关系会酿成下面这样

挂在之后,两个文件系统就不再需要体贴文件系统在哪个磁盘上了,两个文件系统相互可见。

Linux 文件系统的另外一个特征是支持 加锁(locking) 。在一些应用中会泛起两个或者更多的历程同时使用同一个文件的情形,这样很可能会导致 竞争条件(race condition) 。一种解决方式是对其举行加差别粒度的锁,就是为了防止某一个历程只修改某一行纪录从而导致整个文件都不能使用的情形。

POSIX 提供了一种天真的、差别粒度级别的锁机制,允许一个历程使用一个不可分割的操作对一个字节或者整个文件举行加锁。加锁机制要求实验加锁的历程指定其

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Linux 系统提供了两种锁: 。若是文件的一部门已经加上了共享锁,那么再加排他锁是不会乐成的;若是文件系统的一部门已经被加了互斥锁,那么在互斥锁排除之前的任何加锁都不会乐成。为了乐成加锁、请求加锁的部门的所有字节都必须是可用的。

在加锁阶段,历程需要设计好加锁失败后的情形,也就是判断加锁失败后是否选择壅闭,若是选择壅闭式,那么当已经加锁的历程中的锁被删除时,这个历程会排除壅闭并替换锁。若是历程选择非壅闭式的,那么就不会替换这个锁,会马上从系统挪用中返回,符号状态码示意是否加锁乐成,然后历程会选择下一个时间再次实验。

加锁区域是可以重叠的。下面我们演示了三种差别条件的加锁区域。

如上图所示,A 的共享锁在第四字节到第八字节举行加锁

如上图所示,历程在 A 和 B 上同时加了共享锁,其中 6 - 8 字节是重叠锁

如上图所示,历程 A 和 B 和 C 同时加了共享锁,那么第六字节和第七字节是共享锁。

若是此时一个历程实验在第 6 个字节处加锁,此时会设置失败并壅闭,由于该区域被 A B C 同时加锁,那么只有等到 A B C 都释放锁后,历程才气加锁乐成。

许多系统挪用都市和文件与文件系统有关。我们首先先看一下对单个文件的系统挪用,然后再来看一下对整个目录和文件的系统挪用。

为了建立一个新的文件,会使用到 creat 方式,注重没有 e 。

这里说一个小插曲,曾经有人问 UNIX 创始人 Ken Thompson,若是有机遇重新写 UNIX ,你会怎么办,他回覆自己要把 creat 改成 create ,哈哈哈哈。

这个系统挪用的两个参数是文件名和保护模式

lseek( fildes, offset, whence);

lseek 的返回值是更改文件指针后文件中的绝对位置。lseek 是唯一从来不会造成真正磁盘查找的系统挪用,它只是更新当前的文件位置,这个文件位置就是内存中的数字。

对于每个文件,Linux 都市跟踪文件模式(通例,目录,特殊文件),巨细,最后修改时间以及其他信息。程序能够通过 stat 系统挪用看到这些信息。第一个参数就是文件名,第二个是指向要放置请求信息结构的指针。这些结构的属性如下图所示。

fstat 挪用和 stat 相同,只有一点区别,fstat 可以对打开文件举行操作,而 stat 只能对路径举行操作。

pipe 文件系统挪用被用来建立 shell 管道。它会建立一系列的 伪文件 ,来缓冲和管道组件之间的数据,而且返回读取或者写入缓冲区的文件形貌符。在管道中,像是如下操作

<in | head –

sort 历程将会输出到文件形貌符1,也就是尺度输出,写入管道中,而 head 历程将从管道中读入。在这种方式中,sort 只是从文件形貌符 0 中读取并写入到文件形貌符 1 (管道)中,甚至不知道它们已经被重定向了。若是没有重定向的话,sort 会自动的从键盘读入并输出到屏幕中。

最后一个系统挪用是 fcntl ,它用来锁定和解锁文件,应用共享锁和互斥锁,或者是执行一些文件相关的其他操作。

现在我们来体贴一下和整体目录和文件系统相关的系统挪用,而不是把精神放在单个的文件上,下面列出了这些系统挪用,我们一起来看一下。

系统挪用 形貌
s = mkdir(path,mode) 建立一个新的目录
s = rmdir(path) 移除一个目录
s = link(oldpath,newpath) 建立指向已有文件的链接
s = unlink(path) 作废文件的链接
s = chdir(path) 改变事情目录
dir = opendir(path) 打开一个目录读取
s = closedir(dir) 关闭一个目录
dirent = readdir(dir) 读取一个目录项
rewinddir(dir) 回转目录使其在此使用

可以使用 mkdir 和 rmdir 建立和删除目录。然则需要注重,只有目录为空时才可以删除。

建立一个指向已有文件的链接时会建立一个 目录项(directory entry) 。系统挪用 link 来建立链接,oldpath 代表已有的路径,newpath 代表需要链接的路径,使用 unlink 可以删除目录项。当文件的最后一个链接被删除时,这个文件会被自动删除。

使用 chdir 系统挪用可以改变事情目录。

最后四个系统挪用是用于读取目录的。和通俗文件类似,他们可以被打开、关闭和读取。每次挪用 readdir 都市以牢固的花样返回一个目录项。用户不能对目录执行写操作,然则可以使用 creat 或者 link 在文件夹中建立一个目录,或使用 unlink 删除一个目录。用户不能在目录中查找某个特定文件,然则可以使用 rewindir 作用于一个打开的目录,使他能在此从头开始读取。

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