Linux文件管理浅析(一)

本文主要讨论一些磁盘管理相关的基本概念，同时也是这一系列文章的第一篇，就是下图中的最下一层的一部分。

在Linux中，SATA/USB/SCSI接口都是使用SCSI模块实现的，所以使用这些接口的硬盘在Linux中都是/dev/sd...来表示的，取SCSI Disk之意，在此基础上，不同的硬盘使用sda,sdb...表示，同一个硬盘的不同分区使用sda1,sda2，etc表示。相应的IDE接口的磁盘使用/dev/hd...表示。

MBR

Master Boot Record(主引导记录)是一种历史悠久的分区表格式，占磁盘第一个扇区(512 = bootloader 446 +Partition Table 16*4 +Signature 2 )，一块磁盘只有一个MBR，用来安装引导加载程序，分区表等信息

BIOS根据设置找到启动介质的MBR，执行其中的BootLoader，bootloader主要工作就是根据从分区表中描述的分区中找到OS并将其加载。

不同的OS使用的MBR具体分布有所不同，但布局框架都遵循下图(wikipedia)所示的结构：

Description	Size
Bootstrap code area	446
Partition entry No1	16
Partition entry No2	16
Partition entry No3	16
Partition entry No4	16
Boot Signature	2

MBR使用32bit进行LBA寻址，而每个块的大小是512byte，所以MBR能管理的最大磁盘容量是(2^32)*512byte = 2TB，所以，如果你对一块大于2TB的磁盘进行分区的时候，不要使用MBR，而要用下面的GPT。目前，越来越多的系统使用UEFI(GPT)来替代BIOS(MBR)引导系统，Microsoft从windows8开始就支持UEFI(GPT)模式以实现更快的开机。

GPT

前文已经说过，对于512byte的一个扇区，MBR引导最大支持2TB磁盘，所以对于想要使用更大的磁盘做系统盘，GPT(GUID Partion Table)是一个更好的选择。和MBR不同，GPT使用64bit来描述LBA地址，这样一来，同样是512byte的一个扇区， GPT能表示的磁盘容量就是

...一个短期内不会达到的单盘容量，除了LBA，分区表的位宽也从MBR的2byte扩展到128byte，这样一个GPT分区表就可以管理128个分区。除了容量， GPT分区表通过使用全局唯一的ID来标识分区，避免了全盘拷贝，实现了更好的安全性。虽然GPT有这么多性能上的优势，但是出于向后兼容的考虑，对于512byte的扇区，GPT的LBA0还是放置了一个MBR分区表，GPT的简单布局如下：

Description	Size
MBR	512
GPT Header	512
Partion Table	16384

可见，GPT本身占用了LBA0～LBA33的扇区，磁盘的第一个数据存储在LBA34地址处。

Bootloader

bootloader的主要工作就是提供启动菜单+加载内核文件+转交其他loader，它会识别硬盘里的文件系统格式(要有参照分区表)，且操作系统的bootloader只会认识自己分区内的可开机内核文件 + 其他分区的bootloader(boot sector)，这也就是在一个磁盘中安装双系统的基础。在一个双系统的系统盘中，典型的布局如下：

需要注意的是，windows的bootloader缺省会将自己覆盖安装在MBR以及所在分区的boot sector中，而Linux系统在安装的过程中可以指定安装的扇区，除了作为第一个操作系统的bootloader直接安装在MBR中，还可以安装在某个分区的启动扇区同时在MBR中添加选项，所以如果安装windows+linux双系统，建议先安装windows再安装linux，如果反过来的话需要使用其他工具修复Linux的bootloader。

Partition Table

MBR或GPT的一部分，MBR每个分区需要2byte描述，分区表占64byte，所以MBR直接管理的(主分区+扩展分区)最多有4个，而GPT每个分区使用128byte描述，分区表占16384byte，所以一共可以直接管理128个分区。

说到分区表，首先得先说说分区，顾名思义，分区就是将磁盘划分为多个区域，区域之间保持一定的独立性，既安全又便于管理，磁盘的物理分区有两种类型：主分区Primary Partition和扩展分区Extented Partition，无论是哪种，对于机械磁盘来讲，分区都必须以柱面的大小为单位。

磁盘头的分区表只能分出最多4个分区，所以对于更多的分区数量的需求，系统在扩展分区的头部又创建了一个分区表，这个分区表用来描述其上的逻辑分区的分布情况。扩展分区不能格式化，逻辑分区可以。

主分区被设计成具备了引导、启动、故障转储等功能的分区，安装过windows的同学可能知道， windows系统必须安装在主分区中，相比之下，Linux也可以安装在逻辑分区中。

既然分区表只是描述分区信息的表，所以即便分区表不在了，我们位于分区上的文件系统以及数据都不会丢失，但如果分区表不在了，操作系统也不知道去哪里找文件系统，所以数据也就无法读写，这里，我做了一个小测试，使用fdisk工具删除并新建一个和原来一模一样的分区表，U盘的文件可以正常的再次被识别。

初始分区

删除第一个分区

磁盘无法识别

再次新建分区

数据再次可读

Boot Sector

每个主分区或逻辑分区都有一个，可以用来引导包括但不限于操作系统等软件，当我们在一块磁盘上装多个系统的时候，除了第一个装入的操作系统的bootloader在MBR之外，其他的系统的bootloader都是在所在分区的boot sector中

FileSystem

文件系统就是管理文件、为上层提供文件级服务的系统，本质上，文件系统就是一个数据结构，这个数据结构维护了文件名--物理存储地址的映射，当然，为了实现这个映射，前人已经开发了很多款不同的文件系统，包括使用文件分配表的windows早期文件系统FAT32，当下使用的NTFS，Linux中目前主流的磁盘文件系统Ext2，Ext4，或者对标Sun公司ZFS的Btrfs，除了这些基于磁盘的文件系统，还有很多基于内存的文件系统，比如tmpfs，procfs, devpfs等，以及基于flash的文件系统cramfs，jffs2,yaffs等。存在即合理，每种文件系统都有自己适用的场合，针对每种具体文件系统的讨论，超过了本文的讨论范围，我会在以后的文章中展开讨论。