详解Linux文件系统基本功能

Linux中的各种事物比如像文档、目录、键盘、监视器、硬盘、可移动媒体设备、打印机、调制解调器、虚拟终端，还有进程间通信（IPC）和网络通信等输入/输出资源都是定义在文件系统空间下的字节流。一切都可看作是文件，其最显著的好处是对于上面所列出的输入/输出资源，只需要相同的一套 Linux 工具、实用程序和 API。你可以使用同一套API(read, write)和工具(cat , 重定向, 管道)来处理Linux中大多数的资源。Linux文件系统基本功能便是基于Linux系统中一切都可看作是文件的前提下实现的。

设计一个系统的终极目标往往就是要找到原子操作，一旦锁定了原子操作，设计工作就会变得简单而有序。“文件”作为一个抽象概念，其原子操作非常简单，只有读和写，这无疑是一个非常好的模型。通过这个模型，API的设计可以化繁为简，用户可以使用通用的方式去访问任何资源，自有相应的中间件做好对底层的适配。

磁盘存储是文件系统必须的功能，它与之伴生的有一些有趣而且不可或缺的细节。很明显，文件系统是用来为非易失数据的存储提供空间，这是它的基本功能。然而，它还有许多从需求出发的重要功能。所有文件系统都需要提供一个名字空间，这是一种命名和组织方法。它定义了文件应该如何命名、文件名的最大长度，以及所有可用字符集中可用于文件名中字符集子集。它也定义了一个磁盘上数据的逻辑结构，比如使用目录来组织文件而不是把所有文件聚集成一个单一的、巨大的文件混合体。

定义名字空间以后，元数据结构是为该名字空间提供逻辑基础所必须的。这包括所需数据结构要能够支持分层目录结构，同时能够通过结构来确定硬盘空间中的块是已用的或可用的，支持修改文件或目录的名字，提供关于文件大小、创建时间、最后访问或修改时间等信息，以及位置或数据所属的文件在磁盘空间中的位置。其他的元数据用来存储关于磁盘细分的高级信息，比如逻辑卷和分区。这种更高层次的元数据以及它所代表的结构包含描述文件系统存储在驱动器或分区中的信息，但与文件系统元数据无关，与之独立。

文件系统也需要一个应用程序接口（API），从而提供了对文件系统对象，比如文件和目录进行操作的系统功能调用的访问。API 也提供了诸如创建、移动和删除文件的功能。它也提供了算法来确定某些信息，比如文件存于文件系统中的位置。这样的算法可以用来解释诸如磁盘速度和最小化磁盘碎片等术语。

现代文件系统还提供一个安全模型，这是一个定义文件和目录的访问权限的方案。Linux 文件系统安全模型确保用户只能访问自己的文件，而不能访问其他用户的文件或操作系统本身。

最后一块组成部分是实现这些所有功能所需要的软件。Linux 使用两层软件实现的方式来提高系统和程序员的效率。这两层中的第一层是 Linux 虚拟文件系统。虚拟文件系统提供了内核和开发者访问所有类型文件系统的的单一命令集。虚拟文件系统软件通过调用特殊设备驱动来和不同类型的文件系统进行交互。特定文件系统的设备驱动是第二层实现。设备驱动程序将文件系统命令的标准集解释为在分区或逻辑卷上的特定类型文件系统命令。

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